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Universidade Federal do Amazonas Instituto de Ciências Exatas Departamento de Física Laboratório de Física Geral I Relatório da Prática 4 LEIS DE NEWTON Grupo: Nome dos Alunos: Emily Gabriele Teixeira Peixoto, Gláucia de Souza Guimarães, Jovana Larissa Cohen, Valdemar da Silva Santos, Vanderléa Freitas Bertino, Wadna Kimberly da Silva Alves. Turma: Engenharia de Produção – TURMA 1 Prof.: Teonis Silva de Paiva Manaus 2021 Introdução O conceito de força é um dos mais importantes em Física e teve início com as leis de Galileu referente à queda dos corpos, mas foi melhor desenvolvido por Isaac Newton, importante cientista matemático que criou as três leis do movimento. As leis de Newton foram publicadas no século XVII no livro dele nomeado de Princípios Matemáticos da Física Natural e descrevem a interação das forças que agem entre dois corpos ou entre um corpo e o ambiente, na qual a força possui módulo, direção e sentindo, sendo considerada como uma grandeza vetorial capaz de alterar o estado de movimento de um corpo. A primeira lei de Newton (Lei da inércia), afirma que um ponto material isolado está em repouso ou em movimento retilíneo uniforme e seu estado somente pode ser modificado se houver uma ação das forças impressas nele. A segunda lei de Newton (Princípio fundamental da dinâmica) diz que a resultante das forças aplicadas a um ponto material é igual ao produto de sua massa pela aceleração da gravidade, sendo uma grandeza escalar. A terceira lei de Newton (Princípio da ação e reação), ratifica que toda ação corresponde a uma reação com forças e direções iguais e sentidos opostos que atuam em corpos diferentes, mas nunca se anulam. Com isso, o objetivo principal deste relatório foi estudar as leis de Newton, efetuar medidas primárias de deslocamento, tempo e massa, explicitar equações de movimentos, construir e analisar gráficos de grandeza cinemática utilizando uma espécie de planador, o qual simula uma superfície praticamente livre de atrito. Dessa forma, desenvolvendo os dados experimentais minuciosamente, podemos determinar a aceleração em função da massa do planador. Figura 1: Demonstração da lei da inércia. Fonte: Descomplica Figura 2: Demonstração da lei da ação e reação. Fonte: Descomplica Fundamentação Teórica Esta prática propõe-se analisar as leis de força e movimento da mecânica Newtoniana, que juntas são usadas para descrever as causas que podem alterar o movimento dos corpos. As leis de Newton determinam se o corpo está ou não em equilíbrio, por exemplo, quando um objeto é submetido a muitas forças que se anulam, dizemos que ele está em estado de equilíbrio estático, ou seja, se movendo em linha reta a uma velocidade uniforme. A equação de movimento de Newton para um ponto material de massa 𝑚, na qual é aplicada uma força �⃗� é dada por �⃗� = 𝑚�⃗�, onde �⃗� = 𝑑2𝑠 𝑑𝑡2 é a aceleração, 𝑠 o vetor posição e t o tempo. O vetor velocidade �⃗� e o vetor posição 𝑠, obtidos pela aplicação de uma força constante, são dados como função do tempo t pelas seguintes expressões: �⃗�(𝑡) = �⃗� 𝑚 𝑡, 𝑠(𝑡) = 1 2 �⃗� 𝑚 𝑡2 satisfazendo as condições iniciais 𝑣 ⃗⃗⃗ ⃗(0) = 𝑠(0) = 0⃗⃗. A figura 3 mostra um sistema análogo ao estudado nessa experiência, admitindo o planador como corpo único, podemos simplificar este experimento por Figura 3: Sistema análogo ao experimento Fonte: Brasil Escola No bloco A, temos: 𝑁𝑎 = Força normal 𝑃𝑎 = Força peso 𝑇𝑏,𝑎 = Tração que o bloco B faz no bloco A No bloco B, temos: 𝑃𝑏 = Força peso 𝑇𝑎,𝑏 = Tração que o bloco A faz no bloco B Nesse sistema, tem-se o bloco A de massa 𝑚𝑎 apoiado sob uma superfície horizontal, sem atrito, sem resistência do ar e desconsiderando qualquer força dissipativa. O corpo A está conectado a um corpo B suspenso, através de um fio inextensível que passa por uma polia, onde atua a força de tração. Assim, a aceleração é a mesma para os dois corpos. Aplicando a segunda lei de Newton, no bloco A, a força normal 𝑁𝑎 e força peso 𝑃𝑎 se anulam, assim, a força resultante é 𝑇𝑏,𝑎 = 𝑚𝑎𝑎 (1) onde 𝑎 é a aceleração. Se o bloco B é um corpo suspenso de massa 𝑚𝑏 , esse sistema tende a se movimentar, devido a atuação da gravidade no corpo B, assim, a força resultante para o bloco B é 𝑃𝑏 – 𝑇𝑎,𝑏 = 𝑚𝑏𝑎 (2) Logo, temos um sistema de equações, composto pelas equações (1) e (2), unificando essas equações através da soma, temos 𝑃𝑏 = (𝑚𝑎 + 𝑚𝑏)𝑎 Como 𝑃𝑏 é a força peso do bloco B, sendo 𝑃𝑏 = 𝑚𝑏𝑔, então a aceleração para esse sistema é dada por 𝑎 = 𝑚𝑏𝑔 𝑚𝑎 + 𝑚𝑏 Em nosso experimento, 𝑚𝑏 é a massa do conjunto porta-peso mais massas adicionais e 𝑚𝑎 é a massa do conjunto planador, anteparo mais massa adicionais. Procedimento Experimental Para este experimento foi observado por meio do aparelho montado, em quanto tempo o planador possuindo certas quantidades de massa percorreria determinada distância, com objetivo de obter dados para o cálculo da velocidade instantânea e por conseguinte da aceleração do planador. O material utilizado consiste em: ● 1 trilho de ar ● 1 cronômetro digital ● 1 compressor de ar ● 1 polia de precisão ● 2 barreiras de luz ● 1 porta-peso de 1 𝑔 ● 1 fio de seda de 2000 𝑚𝑚 ● 20 massas de 1 1 𝑔 ● 10 massas de 10 1 𝑔 ● 2 massas de 50 1 𝑔 ● 1 planador ● 1 anteparo de 10 𝑚𝑚 ● 1 anteparo de 100 𝑚𝑚 ● 6 cordas de conexão I. PREPARAÇÃO DO EXPERIMENTO: ACELERAÇÃO EM FUNÇÃO DA MASSA Após todo o equipamento está montado, seguindo as orientações dadas previamente pelo professor, bem como o material de apoio, foi iniciado o experimento colocando uma massa de 10 g no porta peso e ajustando o anteparo para 10 mm de comprimento. Em seguida, foi fixado um ponto inicial como no experimento 1, sendo 𝑠0 = 0 𝑚 , 𝑣0 = 0 𝑚/𝑠 𝑒 𝑡0 = 0. Figura 4: Ajustes feitos para início do experimento. Fonte: própria Por conseguinte, foi fixado outro ponto inicial em 400 mm e cronometrado o tempo em que o planador percorreu essa distância, tendo em conta que para esta parte do experimento foi utilizado o comando “TRIGGER” do cronômetro digital. Por fim, repetiu-se essa medida 3 vezes a fim de obter uma média entre elas. Figura 5: Primeira medição. Fonte: própria Figura 6: Segunda medição. Fonte: própria. Figura 7: Terceira medição. Fonte: própria Prosseguindo com o experimento, foi realizado novamente o procedimento 3 vezes cronometrando neste momento o tempo de passagem do anteparo e tirando uma média entre eles, com o objetivo de obter os dados para o cálculo da velocidade instantânea. Figura 8: Primeira medição. Fonte: própria. Figura 9: Segunda medição. Fonte: própria. Figura 10: Terceira medição. Fonte: própria. Ao final do experimento, o procedimento foi novamente realizado e repetido mais 5 vezes para ocorrer a variação da massa do planador, aumentando a cada repetição 20 g, sendo 10 g em cada pino lateral. Figura 11: Variações da massa do planador. Fonte: própria. Figura 12: Últimas variações da massa do planador. Fonte: própria. Resultados e Discussão Conclusão Tendo em vista que o objetivo primordial desse relatório é determinar a aceleração em função da massa do planador, para assim entender na prática as leis de Newton, especificamente a segunda, pois, é a lei retratada no experimento, conhecida também como princípio fundamental da dinâmica. Realizamos cálculos para encontrar a aceleração, como observado no decorrer deste trabalho. Portanto, a partir da prática entendemos melhor como funciona a mecânica da física newtoniana,pois conforme adicionamos massa ao carrinho, menor é a velocidade que ele percorre o trilho e menor é a aceleração. Dessa forma, encontramos a aceleração do sistema e também entendemos e provamos a lógica da segunda lei, partindo do conceito de que se aplicarmos uma força (F) de mesma intensidade em dois corpos distintos, o corpo com massa maior sofrerá menor aceleração. Logo, este relatório atingiu o seu propósito que é encontrar a aceleração e principalmente entender de forma concisa a temática abordada. Referências COELHO, Larissa. Quais são as leis de Newton e como são aplicadas?. Descomplica, 2018. Disponível em: <https://descomplica.com.br/artigo/quais-sao-as-leis-de-newton-e-como-sao- aplicadas/4pH/junt>. Acesso em: 21/10/2021. HELERBROCK, Rafael. Leis de Newton. Brasil escola. Disponível em: <https://m.brasilescola.uol.com.br/amp/fisica/leis-newton.htm>. Acesso em: 21/10/2021. HELEBROCK, Rafael. Exercícios sobre as leis de Newton. Brasil escola. Disponível em: <https://www.google.com/amp/s/m.brasilescola.uol.com.br/amp/fisica/como-resolver- exercicios-sobre-as-leis-newton.htm>. Acesso em: 24/10/2021. https://descomplica.com.br/artigo/quais-sao-as-leis-de-newton-e-como-sao-aplicadas/4pH/junt https://descomplica.com.br/artigo/quais-sao-as-leis-de-newton-e-como-sao-aplicadas/4pH/junt https://m.brasilescola.uol.com.br/amp/fisica/leis-newton.htm https://www.google.com/amp/s/m.brasilescola.uol.com.br/amp/fisica/como-resolver-exercicios-sobre-as-leis-newton.htm https://www.google.com/amp/s/m.brasilescola.uol.com.br/amp/fisica/como-resolver-exercicios-sobre-as-leis-newton.htm
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