Experimento 17 Leis de Newton Introdução São três leis que constituem os três pilares fundamentais do que chamamos Mecânica Clássica. A primeira Lei de Newton, também conhecida como Princípio da Inércia, afirma que um corpo, livre da ação de forças, tende a permanecer em repouso, se ele já estava em repouso, ou a permanecer em movimento retilíneo uniforme, se ele já estava em movimento. Conclui-se, então, que um corpo só altera seu estado de repouso ou movimento se alguém, ou alguma coisa, aplicar nele uma força resultante diferente de zero. A segunda Lei de Newton, também conhecida como Princípio undamental da Dinâmica, diz que se um corpo está sob ação de uma força resultante não nula, a velocidade desse corpo tem que variar e, nesse caso, esse corpo passa a desenvolver uma aceleração, cujo módulo pode ser calculado pela expressão abaixo. R = m.a Onde: R - é a resultante de todas as forças que agem sobre o corpo; m - é a massa do corpo no qual as forças atuam; a - é a aceleração que esse corpo adquire. A terceira Lei de Newton, também conhecida como Princípio da Ação e Reação, anuncia que, na natureza, as forças sempre aparecem aos pares: uma é denominada ação e a outra, reação. Essas forças têm mesmo módulo e direção, mas sentidos opostos. Além disso, elas nunca se equilibram, pois atuam em corpos diferentes. Com este experimento, queremos analisar as Leis de Newton e determinar as características do movimento em algumas situações ideais. Objetivos Após esta atividade, o aluno deverá ser capaz de: analisar as forças que atuam num sistema e avaliar a força resultante; analisar as três Leis de Newton; determinar as características do movimento, segundo as Leis de Newton. Materiais necessários carrinhos de mesma massa; 1 elástico, com cerca de 0,70 m; Caneta hidrocor; 10 discos diversos; Balança; Trena; Colchão de ar linear e acessórios; Cronômetro digital e sensores; Gerador de fluxo de ar; discos de 50 g; Calculadora. Procedimentos a) Usando a balança, confirme que as massas dos carrinhos são iguais. b) Prenda um carrinho ao outro, por meio do fio elástico. c) Sobre uma superfície muito lisa, estique o elástico, afastando os carrinhos, até que a distância entre eles seja, aproximadamente, 1,0 m. d) Com a caneta hidrocor, marque as localizações onde os carrinhos se encontram. e) Simultaneamente, solte os dois carrinhos, observando como eles se deslocam sobre essa superfície lisa. f) Marque o local onde os carrinhos colidiram. g) Repita os procedimentos anteriores, posicionando os carrinhos nas mesmas localizações iniciais, para confirmar o local da colisão entre eles. h) Analise o ocorrido e responda as cinco primeiras questões da folha de respostas. i) Usando os discos, dobre a massa de um dos carrinhos. Utilize a balança para confirmar o resultado. j) Sobre a mesma superfície lisa anterior, estique o elástico, afastando os carrinhos, 34 9º ano
Experimento 17 Leis de Newton posicionando-os nas mesmas localizações iniciais. k) Simultaneamente, solte os dois carrinhos, observando como se deslocam, e marque a localização onde eles colidem. l) Repita o procedimento para confirmar onde ocorre a colisão. m) Analise o ocorrido e faça as três atividades seguintes da folha de respostas. n) Nivele o trilho do colchão de ar, colocando -o na horizontal. o) Usando a balança, meça, em kg, a massa do carrinho usado no colchão de ar e anote-a na folha de respostas. p) Coloque o carrinho no trilho do colchão de ar, encostando-o no eletroímã de lançamento. q) Posicione o primeiro sensor de forma que, quando o carrinho entrar em movimento, o cronômetro seja acionado. Esse procedimento garante que a velocidade inicial do carrinho, no movimento analisado, seja nula. r) Posicione o segundo sensor para que ele fique a 0,50 m do primeiro sensor. s) Zere o cronômetro e ligue o fluxo de ar. t) Lance o carrinho, com o eletroímã, e observe o movimento que ele descreve pelo trilho. u) Anote, na tabela da folha de respostas, o intervalo de tempo que o carrinho gastou para percorrer a distância entre os sensores. v) Coloque um disco de 50 g na antena do carrinho. w) Encoste o carrinho no eletroímã de lançamento e zere o cronômetro. x) Lance o carrinho, com o eletroímã, e anote, na tabela da folha de respostas, o novo intervalo de tempo que o carrinho gastou para percorrer a distância entre os sensores. y) Coloque mais um disco de 50 g na antena do carrinho e repita os procedimentos w e x anteriores. z) Complete os dados da tabela da folha de respostas e responda às questões seguintes. Anotações 35
Experimento 18 Introdução teórica Desde a Antiguidade, as relações entre força e movimento sempre foram objeto de estudo. O filósofo Aristóteles, por exemplo, analisando estas relações, acreditava que um corpo só poderia permanecer em movimento se existisse uma força atuando sobre ele. Assim, um corpo em repouso deveria permanecer em repouso, caso uma força não atuasse sobre ele. Se uma força começasse a atuar, o corpo entraria em movimento. Mas, se a força cessasse, o corpo voltaria, imediatamente, ao seu estado de repouso. Estas afirmações de Aristóteles podem parecer corretas, pois em nossas experiências diárias observamos que um objeto só se move quando puxado ou empurrado. No século XVII, Galileu concluiu que, quando um corpo em movimento se vê livre da ação de forças, este continuará em movimento retilíneo e uniforme, ou seja, um corpo em equilíbrio pode se mover. A partir das ideias dos grandes cientistas que o precederam, Newton publicou as leis da Mecânica, as quais explicaram as situações problemáticas de sua época e revolucionaram o estudo das Ciências. Neste experimento, aplicaremos as leis de Newton para analisar um problema clássico da Mecânica, mas que traz muitas dúvidas aos estudantes: Mesmo estando sobre uma superfície horizontal sem atrito, conforme figura abaixo, um corpo mais leve (corpo 1) pode puxar outro de maior massa (corpo )? Objetivos Após esta atividade, o aluno deverá ser capaz de: 1 Aplicação das leis de Newton Determinar a aceleração do movimento por meio das leis de Newton. Materiais necessários Colchão de ar linear e acessórios Suporte de massas Balança digital de precisão Suporte universal com uma polia fixa ios (barbantes) ósforos Esquadro Trena Dinamômetro Calculadora Procedimentos a) Meça a massa do suporte de massas e a massa do carrinho. Em seguida, anote-as na folha de respostas. b) Meça o módulo do peso no suporte de massas e anote-o na folha de respostas. c) Nivele o colchão de ar, colocando-o na horizontal. d) Prenda o carrinho ao trilho do colchão de ar utilizando um barbante. e) Amarre a extremidade de outro barbante no carrinho, passe-o pela polia fixa e prenda, na outra extremidade desse barbante, o suporte de massas. Obs.: Neste experimento, considere ideais os barbantes e a polia fixa. f) Posicione os sensores de forma que o primeiro coincida com a antena do carrinho e o último esteja a 0,50 m do primeiro. Cuide para que, nesse trecho de movimentação do carrinho, entre os sensores, o suporte de massas ainda não tenha tocado o solo. g) Zere o cronômetro, ligue o fluxo de ar e, com muito cuidado, queime o fio que prende o carrinho ao trilho do colchão de ar. h) Desprezando a resistência do ar, analise o movimento dos móveis e responda às outras questões da folha de respostas. Analisar as forças que atuam num sistema e avaliar a força resultante. 36 9º ano
Experimento 19 Introdução teórica Polia ou roldana é um tipo de disco que pode girar em torno de um eixo que passa por seu centro. Na periferia desse disco existe um sulco, no qual passa uma corda, contornando-o parcialmente. Quanto aos modos de operação, as polias podem ser fixas ou móveis. Nas fixas, seus eixos permanecem em repouso em relação ao suporte onde foram fixados. Nas móveis, seus eixos se movimentam juntamente com a carga que está sendo deslocada, conforme a figura abaixo. Roldanas fixas e móveis Numa das extremidades da corda que passa pela roldana fixa da figura, a mão aplica a força motriz e, na outra extremidade dessa corda, o bloco exerce uma força resistente. A vantagem de se utilizar esse tipo de polia está no fato de se poder alterar a direção e/ ou o sentido da força aplicada. Isso é vantajoso, por exemplo, porque podemos aproveitar a força peso, em um corpo, como contrapeso para cumprir a tarefa de levantar o bloco. Na polia móvel da figura, uma das extremidades da corda é presa a um suporte fixo e, na outra, a mão aplica a força motriz. Note que o bloco aplica a força resistente no eixo da polia. A vantagem desse processo está no fato de a força motriz ter menor intensidade do que a força resistente. É importante ressaltar que a polia móvel raramente é utilizada sozinha, pois é inconveniente ter de puxar a extremidade da corda para cima, para levantar o bloco. Normalmente, as polias móveis vêm combinadas com uma polia fixa, conforme ilustra a figura a seguir. Polia ixa R Polia Móvel Neste experimento, queremos identificar as características dos sistemas que utilizam polias fixas e móveis e constatar suas vantagens. Objetivos R R Após esta atividade, o aluno deverá ser capaz de: Identificar roldanas fixas e móveis; Constatar a finalidade das roldanas fixas e móveis. Materiais necessários 1 dinamômetro de,00 N 1 perfil universal com haste 1 suporte de massas com quatro discos pequenos 4 polias móveis 3 cordões com ganchos nas extremidades barras de ferro 1 corda comprida 1 calculadora Procedimentos a) Zere o dinamômetro na direção vertical, com o gancho para baixo. b) Apoie o dinamômetro na haste do perfil universal e meça o módulo da força peso no 37
Experimento 19 suporte de massas com os 4 discos. Em seguida, anote-o na folha de respostas. c) Verifique se as roldanas giram livremente. Caso contrário, peça auxílio ao professor para destravá-las. d) Zere o dinamômetro na direção vertical, com o gancho para cima. e) Apoie uma polia na haste do perfil universal e passe um fio pelo sulco dessa polia. A seguir, apoie o suporte de massas com os 4 discos no gancho de uma das extremidades desse fio e o dinamômetro na outra, conforme a figura do sistema 1. Roldanas fixas e móveis Sistema Sistema 1 38 f) Meça o módulo da força de menor intensidade, capaz de equilibrar o sistema 1. Em seguida, anote-o na folha de respostas e responda as duas questões subsequentes. g) Zere o dinamômetro na direção vertical com o gancho para baixo. h) Prenda uma das extremidades do cordão à haste metálica e passe o cordão pelo sulco da polia móvel. i) Apoie o suporte com os 4 discos no eixo da polia móvel, conforme a figura do sistema. 9º ano j) Meça o módulo da força de menor intensidade, capaz de equilibrar o sistema. Em seguida, anote-o na folha de respostas e responda a questão subsequente. k) Zere o dinamômetro na direção vertical com o gancho para cima. l) Utilizando os fios, as polias e o suporte de massas com os 4 discos, monte o sistema 3, representado na figura abaixo. m) Meça o módulo da força de menor intensidade, capaz de equilibrar o sistema 3. Em seguida, anote-o na folha de respostas. Sistema 3 Obs.: Desprezando os atritos e as massas das polias em montagens como a do sistema 3, onde há N polias móveis, o módulo da força exercida pelo dinamômetro, capaz de equilibrar um bloco, no qual atua uma força peso P, é calculado por: = P N n) Responda à questão subsequente, da folha de respostas. o) Selecione dois alunos para segurarem as extremidades das barras de ferro, na horizontal e de frente um para o outro. Amarre a extremidade da corda em uma das bar-
Experimento 19 Roldanas fixas e móveis ras e a envolva, em torno das duas barras (dê várias voltas), deixando sua outra extremidade livre. p) Selecione um último aluno para segurar a extremidade livre da corda. q) Vamos realizar um tipo de cabo de guerra. Os dois alunos anteriores devem separar as barras, puxando-as horizontalmente, enquanto o último aluno deve puxar a extremidade livre da corda, a fim de evitar que as barras sejam separadas. r) Analise a situação e responda à última questão da folha de respostas. Anotações 39