Movimento Harmônico Simples e Amortecido

Documentos relacionados
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA AGROALIMENTAR UNIDADE ACADÊMICA DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS DISCIPLINA: FÍSICA I INFORMAÇÕES GERAIS. Prof.

CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA AGROALIMENTAR UNIDADE ACADÊMICA DE TECNOLOGIA DE ALIMENTOS DISCIPLINA: FÍSICA I INFORMAÇÕES GERAIS. Prof.

EXPERIMENTO V DETERMINAÇÃO DA CONSTANTE ELÁSTICA E DO PERÍODO PARA O OSCILADOR MASSA MOLA NA HORIZONTAL

As Oscilações estão presentes no nosso dia a dia como o vento que balança uma linha de transmissão elétrica, as vibrações da membrana de um

Oscilações II. Estudo: Pêndulo Simples Oscilador Forçado Ressonância

MOVIMENTO OSCILATÓRIO

Física Geral e Experimental III

Tópico 8. Aula Prática: Pêndulo Simples

Lista 14: Oscilações. Questões

Universidade do Vale do Paraíba Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo - FEAU. Física Experimental I Prof. Dra. Ângela Cristina Krabbe

Física 2 - Movimentos Oscilatórios. Em um ciclo da função seno ou cosseno, temos que são percorridos 2π rad em um período, ou seja, em T.

Noções Básicas de Física Arquitectura Paisagística LEI DE HOOKE (1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA INSTITUTO DE FÍSICA - DEPARTAMENTO DE FÍSICA GERAL DISCIPLINA: FIS FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL II-E

Importante: i. Nas cinco páginas seguintes contém problemas para se resolver e entregar. ii. Ler os enunciados com atenção.

Oscilações. Uma partícula material executa um MHS quando oscila periodicamente em torno de uma posição de equilíbrio, sobre uma trajetória reta.

Uma oscilação é um movimento repetitivo realizado por um corpo em torno de determinado ponto.

Primeira Lista de Exercícios.

UNIDADE 15 OSCILAÇÕES

(Versão 2014/2) (b) (d)

FENÔMENOS OSCILATÓRIOS E TERMODINÂMICA

EXPERIÊNCIA M003-3 PÊNDULO SIMPLES

Entender o funcionamento de um pêndulo, correlacioná-lo com o pêndulo simples, determinar a aceleração da gravidade e o momento de inércia do corpo.

Universidade de São Paulo. Instituto de Física. FEP112 - FÍSICA II para o Instituto Oceanográfico 1º Semestre de 2009

Física I 2010/2011. Aula 10. Movimento Oscilatório II

Laboratório de Física 2

Departamento de Física - ICE/UFJF Laboratório de Física II

LISTA DE EXERCÍCIOS 1

PRÁTICA 11: LEI DE HOOKE E OSCILADOR MASSA-MOLA MOLA

INSTITUTO FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS FOZ DO IGUAÇU LICENCIATURA EM FÍSICA. Pêndulo Simples. Brunna Arrussul. Deborah Rezende.

Exercício 1. Exercício 2.

Uma oscilação é um movimento repetitivo realizado por um corpo em torno de determinado ponto.

UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS. Departamento de Matemática e Física Coordenador da Área de Física

Departamento de Física - ICE/UFJF Laboratório de Física II

ANALISANDO O MODELO DE FORÇA COM O PÊNDULO SIMPLES

EMPREGO DE MÉTODOS MATEMÁTICOS PARA A OBTENÇÃO DO MÓDULO DE CISALHAMENTO EM SISTEMAS COMPLEXOS

Ao atingir o ponto B pela quarta vez, temos 3,5 oscilações completas em 7 segundos; logo:

OSCILAÇÕES, ONDAS E FLUIDOS Lista de exercícios - Oscilações Profª.Drª. Queila da Silva Ferreira

Força de interação entre qualquer corpo de massa m com um campo gravitacional e pode ser calculado com a equação:

Soma das Corretas: Soma das Corretas:

Verificar as equações para a constante de mola efetiva em um sistema com molas em série e outro com molas em paralelo.

O Sistema Massa-Mola

O Movimento Harmônico Simples

Movimento harmônico simples (MHS)

LISTA DE EXERCÍCIOS - MOVIMENTO HARMÔNICO SIMPLES (MHS) (versão 2014/2)

Exemplo. T 1 2g = -2a T 2 g = a. τ = I.α. T 1 T 2 g = - 3a a g = - 3a 4a = g a = g/4. τ = (T 1 T 2 )R. T 1 T 2 = Ma/2 T 1 T 2 = a.

Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais

Primeira Lista de Exercícios.

Lista de Exercícios - OSCILAÇÕES

Dinâ micâ de Mâ quinâs e Vibrâçõ es II

Experimento científico para a determinação da aceleração da gravidade local empregando materiais de baixo custo

Figura 1. Ilustração de uma mola distendida por uma massa m.

MHS Movimento Harmônico Simples

Por outro lado, sabemos que o módulo e o sentido da força que atua sobre uma partícula em MHS são dados, genericamente, por:

Faculdade de Tecnologia de Mogi Mirim Arthur de Azevedo EXPERIMENTO 6

Aula do cap. 16 MHS e Oscilações

O pêndulo simples é constituído por uma partícula de massa

As seguintes considerações devem ser feitas inicialmente ou ao longo do trabalho:

1. Movimento Harmônico Simples

Lei de Hooke. 1 Objetivo. 2 Introdução Teórica

EXPERIÊNCIA M018-TE CONSTANTE ELÁSTICA DA MOLA

BC 0205 Fenômenos Térmicos

Física II Ondas, Fluidos e Termodinâmica USP Prof. Antônio Roque Aula

Lista Básica Aulas 22 e 23 Frente 3

Laboratório de Física

Universidade Federal Rural do Semi Árido UFERSA Pro Reitoria de Graduação PROGRAD Disciplina: Física II Professora: Subênia Medeiros

Lista 12: Oscilações NOME:

DETERMINAÇÃO DAS CONSTANTES ELASTICAS DE MOLAS E ESTUDO DEOSCILAÇÕES HARMÓNICAS

Laboratório de Física

Oscilações, Coerência e Ressonância

Análise Experimental do Sistema Massa-Mola através da Lei de Hooke Experimental Analysis of the Mass-Spring System by Hooke s Law

Pêndulo Físico. Cientistas e Engenheiros, Vol. 2, Tradução da 8ª edição norte-americana, Cengage Learning, 2011) 1. Introdução

ENGENHOCAS. Pêndulo de torção

FORÇA ELÁSTICA. Onde: F: intensidade da força aplicada (N); k: constante elástica da mola (N/m); x: deformação da mola (m).

As seguintes considerações devem ser feitas inicialmente ou ao longo do trabalho:

MODELAGEM MATEMÁTICA DAS OSCILAÇÕES DE UM PÊNDULO

Relatório da Prática nº5 Molas

Departamento de Física - ICE/UFJF Laboratório de Física II Pêndulos

Física para Engenharia II - Prova P a (cm/s 2 ) -10

Faculdade de Tecnologia de Mogi Mirim Arthur de Azevedo EXPERIMENTO 7

Prova Experimental. (em português)

Faculdade de Tecnologia de Mogi Mirim Arthur de Azevedo EXPERIMENTO 3

RELATÓRIO DE PRÁTICA EXPERIMENTAL FIS Física Experimental II ONDAS DA CORDA AO SOM

Lista de revisão para a prova

Prof. Márcio Marinho LEIS DE NEWTON

Fís. Semana. Leonardo Gomes (Guilherme Brigagão)

Capí tulo 6 Movimento Oscilato rio Harmo nico

Física 1. 3 a prova 09/12/2017. Atenção: Leia as recomendações antes de fazer a prova.

ANÁLISE EXPERIMENTAL DO SISTEMA MASSA-MOLA ATRAVÉS DA LEI DE HOOKE

Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa T2 FÍSICA EXPERIMENTAL I /08 FORÇA GRAVÍTICA

Em outras palavras, no regime elástico há uma dependência linear entre F e a deformação x. Este é o comportamento descrito pela lei de Hooke: F = k x

DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DA VELOCIDADE DE UM PROJÉTIL UTILIZANDO UM PÊNDULO BALÍSTICO

Força de atrito e as leis de Newton. Isaac Newton

PROGRAD / COSEAC Padrão de Respostas Física Grupo 04

Prof. MSc. David Roza José -

MODELAGEM DE UM OSCILADOR NÃO LINEAR OBSERVADO NOS CURSOS DE FÍSICA BÁSICA.

Universidade Federal do Pampa UNIPAMPA. Oscilações. Prof. Luis Armas

Massa: uma abordagem experimental

Física I VS 18/07/2015

Lista de exercícios. isso que o torque de amortecimento seja linearmente proporcional à velocidade angular.

Transcrição:

Movimento Harmônico Simples e Amortecido INTRODUÇÃO Ana Arruda, Caio Monteiro, Lineu Parra, Vitor Rocha Professor: Marcelo Reyes, CMCC Campus Santo André Resumo O estudo dos Movimentos Harmônicos permite o entendimento de fenômenos que se repetem a intervalos regulares de tempo, como o pêndulo de um relógio antigo. Os cálculos do período e freqüência da oscilação são obtidos através de experimentos com os sistemas pêndulo simples e massa-mola, considerando os efeitos causados pela resistência do ar, da água, da constante k da mola, entre outros. As oscilações podem ser observadas através dos movimentos que se repetem como em um pêndulo de relógio antigo ou em barcos ancorados movimentando-se constantemente com as ondas. O estudo do Movimento Harmônico Simples possibilita o melhor entendimento das oscilações. Algumas propriedades são importantes para descrever tais movimentos: a freqüência f (número de oscilações completadas a cada segundo) e o período T, que está diretamente relacionado com a freqüência e é o tempo necessário para uma oscilação completa. A equação que descreve o período é: Qualquer movimento que se repete a intervalos regulares de tempo é denominado Movimento Harmônico. O pêndulo simples é um sistema formado por uma partícula de massa m, pendurada em uma extremidade por um fio inextensível e de massa desprezível que está preso a um suporte na outra extremidade. O sistema massa-mola, que consiste em um bloco de massa m, oscilando verticalmente, preso a uma mola com constante k. Mas com que tudo isso se relaciona no nosso dia a dia?

http://history.nasa.gov/sp-4208/ch15.htm 1 Figura 1. O Astronauta Alan L. Bean, durante 2ª uma Missão do Skylab, mede sua massa corporal através de um dispositivo composto por um assento preso a uma mola, oscilando para frente e para trás. O astronauta mede seu período de oscilação na cadeira; A massa é obtida a partir da equação para o período de um sistema massa-mola oscilante: Figura 2. O Edifício Citicorp em Nova York teve uma grande redução de oscilação com o sistema de amortecimento formado por um bloco conectado ao edifício por mola OBJETIVO Medir experimentalmente as oscilações do pêndulo simples e do sistema massa-mola em diferentes situações, para determinar coeficientes de amortecimento e os fatores que influenciam em seus períodos. Onde: T é o período de oscilação; K a constante da mola; m, a massa efetiva do sistema e M a massa do astronauta. Devido à presença de ventos fortes, a oscilação do Edifício Citicorp, em Nova York, é reduzida por um amortecedor bloco móvel conectado ao edifício por molas montado sobre o pavimento superior do edifício. A constante da mola é escolhida de modo que a freqüência natural do sistema bloco mola tenha o mesmo valor que a freqüência natural do edifício. METODOLOGIA Materiais Suporte para colocar o pêndulo Cronômetro Balança semi-analítica 2 pesos com massas diferente com gancho 1 mola de tamanho compatível Fio (nylon ou barbante) Transferidor em escala 1 Recipiente com água Métodos PARTE A Pêndulo Simples Durante a ação do vento, o edifício e o amortecedor oscilam 180 fora de fase um com o outro, resultando em uma significativa redução da oscilação do prédio.

b) Obtenção do coeficiente de amortecimento devido à resistência do ar em um pêndulo simples. A constante de amortecimento está relacionada com a amplitude A pela seguinte fórmula: F Figura 3. Montagem experimental do pêndulo simples. a) Fatores que influenciam o período de um pêndulo simples. Um objeto de massa m será suspenso por um fio de massa desprezível e comprimento L, com uma extremidade fixada em um suporte., onde 1/b é chamada de constante de amortecimento e representa, matematicamente, o tempo necessário para que a amplitude seja reduzida de um fator igual a 1/e em relação ao seu valor inicial. A amplitude será medida com o auxilio de um transferidor. Serão considerados intervalos regulares de tempo proporcionais ao período do pêndulo. Será analisada a constante de amortecimento para duas massas diferentes. PARTE B Sistema massa-mola Nessa parte do experimento será medido o período de oscilação em diferentes situações: 1. Diferentes comprimentos de L (L 1 = 20 cm, L 2 = 40 cm e L 3 = 80 cm). 2. Diferentes amplitudes θ (θ 1 = 5, θ 2 = 15 e θ 3 = 45 ). Para minimizar os erros que estariam presentes na medição de um único período, como tempo de reação para acionar o cronômetro, será medido o intervalo de tempo equivalente a 10 T, onde T é um único período. A medição de cada situação diferente será realizada 5 vezes para a determinação do desvio padrão de cada medida. Figura 4. Montagem experimental do sistema massa mola. a) Obtenção da Constante Elástica k de uma mola. A constante elástica k da mola será obtida pelo método estático onde um peso é colocado na extremidade da mola e é medida a variação x no comprimento da mola no estado de equilíbrio. Se a

deformação obedece a lei de Hooke então temos que. b) Obtenção do coeficiente de amortecimento devido à resistência da água Teremos, nesse caso, um suporte rígido. Nele uma mola será presa em uma de suas extremidades, e um objeto de massa m 1 será acoplada à outra extremidade. A essa massa m 1 oscilará e seu movimento será amortecido devido a resistência do ar e posteriormente da água. O objetivo será analisar a como a freqüência de oscilação do sistema varia considerando-o amortecido pelo meio, fazendo uso da seguinte fórmula: Onde b é a constante de amortecimento que depende das características, tanto da massa como do líquido onde a mesma estará imersa. A freqüência angular é obtida a partir do período de oscilação. Os dados serão submetidos aos cálculos necessários, a fim de trazer resultados passíveis de interpretação e comparação entre os dois sistemas. RESULTADOS E DISCUSSÃO A. Fatores que influenciam o período do pêndulo simples. A única aceleração que atua em sentido do movimento no caso de um pêndulo simples é, onde θ é o ângulo inicial. Pela segunda lei de Newton,. Como a equação que representa o movimento harmônico é obtemos que o período para pequenas amplitudes em função do comprimento L do fio de massa desprezível é (considerando a aceleração da gravidade constante e igual a ). Para amplitudes maiores que 15 observamos o aparecimento de um fator que multiplica o período. Os dados obtidos são mostrados nas tabelas a seguir: Tabela I. Período de um pêndulo simples medido para diferentes comprimentos de L corrigidos com o centro de massa do peso utilizado (Amplitude de 15 ). Comprimento L 10 T (Média) Desvio Padrão L 1 =22,1 cm 9,60 s 0,10 L 2 =42,1 cm 13,49 s 0,13 L 3 =82,1 cm 18,68 s 0,23 Tabela II. Período de um pêndulo simples medido para diferentes amplitudes θ (Comprimento L = 82,1 cm). Período 10 T Amplitude θ (média) Desvio Padrão Θ 1 =5 18,54 0,17 Θ 2 =15 18,68 0,23 Θ 3 =45 19,04 0,09 Com os dados da tabela 1 fizemos um ajuste não linear e obtivemos a equação com um coeficiente de determinação confirmando que. Para os dados da segunda tabela observamos que os valores esperados eram da ordem de 0,46 s menores do que todos os valores obtidos experimentalmente (Os valores esperados eram 18,03 s, 18,10 s e 18,74 s, respectivamente). Para comparar esses dados teríamos que levar

em conta os erros envolvidos e a propagação de incertezas. B. Amortecimento de um pêndulo simples devido à resistência do ar. Apesar de pequena, a resistência do ar faz com que a quantidade de movimento de um pêndulo diminua. Para objetos com massa elevadas é esperado que demore mais para que suas oscilações reduzam até um patamar imperceptível. A amplitude de um oscilador amortecido decai exponencialmente, assim podemos escrever onde 1/b é o coeficiente de amortecimento que depende da resistência do meio, do formato e da massa do objeto. Medindo a amplitude de um pêndulo simples para duas massas diferentes obtivemos os dados que estão representados na forma de gráfico. O coeficiente de amortecimento foi calculado pelo ajuste do gráfico e vale 0,005 para a massa 1 e 0,002 para massa 2. Esses dados comprovam que o amortecimento é inversamente proporcional a massa utilizada, ou seja, quanto maior a massa menor será o amortecimento. Gráfico 2. Amplitude versus período para massa 2. C. Amortecimento de um sistema massamola devido à resistência do ar e da água. A amplitude de oscilação diminui devido à resistência do ar. O mesmo ocorre com a resistência da água, porém devido à diferença de viscosidade entre esses dois meios a amplitude diminui mais rapidamente se a massa estiver oscilando imersa em água. As equações do movimento harmônico amortecido podem ser escritas da seguinte forma: e é a freqüência natural de oscilação do sistema e vale. Duas massas foram utilizadas no experimento, m 1 = 0,056 Kg e m 2 = 0,112 Kg. A constante elástica da mola foi obtida a partir da deformação produzida por essas duas massas, x 1 = 0,255 m e x 2 = 0,325 m. Deste modo, k = 7,99 N/m. Os dados são mostrados na tabela abaixo. Também foi feita uma simulação para o movimento das duas massas. Gráfico 1. Amplitude versus período para massa 1. Tabela III. Período, freqüência e coeficiente de amortecimento obtidos experimentalmente para um sistema massa-mola.

Período (s) Frequência angular w Coeficient e 1/b m1 m2 m1 m2 m1 m2 Ar 1,19 1,52 5,29 4,14 0,83 0,61 Água 0,55 0,70 11,51 9,03 2,80 1,40 possível ao aumento da resistência se encontra na diferença de estados físicos (líquido e gasoso) e consequentemente na diferença entre as forças de interação entre as moléculas CONCLUSÕES Através dos cálculos dos amortecimentos do pêndulo simples e do sistema massamola foi possível compreender melhor a aplicação prática desses sistema no nosso cotidiano, como dos exemplos do edifício Citicorp e no cálculo da massa do astronauta em gravidade zero. Figura 5. Simulação do amortecimento esperado para a massa 1. Em azul a oscilação ocorre dentro da água e em verde no ar. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]RESNICK, Robert; HALLIDAY, David; KRANE, Kenneth S. Física: 2. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC. 2003. [2]http://www.uel.br/cce/fisica/docentes/dari/ d6_atividade3_c59479f5.pdf. [3]http://www.uel.br/cce/fisica/docentes/dari/ d3_atividade9_6eeef57c.pdf. AGRADECIMENTOS Agradecemos à Universidade Federal do ABC e ao professor Marcelo Reyes. FIGURA 6. Simulação do amortecimento esperado para a massa 2. Em azul (água) e em verde (ar). É possível observar que as oscilações reduzem mais rapidamente se ocorrerem em um meio que impõe mais resistência. Entretanto a freqüência angular aumenta significativamente. Uma explicação