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Elaboração e Interpretação de gráficos Regras que devem ser seguidas na construção de gráficos: 1) Tabela de dados. Deve-se fazer uma tabela de dados contendo os valores da variável independe (aquela que se está variando no experimento e, portanto, adquire valores pré-determinados) e da variável depende correspondente (aquela que depende ou se mede em função do parâmetro que está variando no experimento). 2) Definição dos eixos. No sistema de coordenadas cartesianas, os valores da variável independente devem ser lançados nos eixo das abscissas (eixo horizontal) ou eixo x. Os valores da variável dependente devem ser lançados ao longo dos eixos das ordenadas (eixo vertical) ou eixo y. Por exemplo, num gráfico de velocidade versus tempo, a velocidade é dependente do tempo, portanto a velocidade será lançada no eixo y e o tempo no eixo x. 3) Unidades nos eixos coordenados. O gráfico deve conter a unidade de cada grandeza. À direita, na parte inferior do eixo das abscissas deve-se conter a variável independente com sua unidade de medida. À esquerda, na parte superior do eixo das ordenadas deve-se conter a variável dependente com a sua unidade de medida. 4) Escala e distribuição do gráfico pelo papel. O gráfico deve ocupar a maior parte do papel. E, principalmente, deve refletir a acuidade dos valores experimentais. É fundamental que o gráfico tenha uma escala para representar as variáveis em estudo ocupando o melhor possível a folha. Porém, ocupar o melhor possível a folha não significa que se deve usar a escala que preenche todo o papel. Na prática, deve-se escolher uma escala que facilite a leitura dos pontos experimentais, ou qualquer outro ponto representado no gráfico. 5) Indicação de valores nos eixos. Devem ser indicados valores referenciais adequados à escala nos eixos vertical e horizontal. Preferencialmente valores múltiplos de 10. Nunca múltiplos de valores primos ou fracionários. Nunca deve-se indicar os valores dos pontos experimentais nos eixos coordenados, a não ser que esses coincidam com os valores que definem a escala. Os valores indicados nos eixos devem ter a mesma quantidade de algarismos significativos das medidas. 6) Pontos experimentais. Os pontos experimentais devem ser bem marcados no gráfico. E não deve-se fazer nenhuma marcação adicional, como por exemplo fazer tracejados desde o ponto até os eixos. Cada ponto deve ser marcado com o intervalo de incerteza correspondente à sua grandeza. Desde que o intervalo dessa incerteza seja maior que a menor divisão do gráfico. 7) Traçado da curva. Uma curva suave deve ser traçada de forma a passar dentro do intervalo estabelecido pelas barras de erro. A curva não precisa passar por todos os pontos, mas deve ser traçada levando em conta a tendência dos pontos. É importante destacar que, é errado unir os pontos experimentais, onde a relação entre as grandezas é descontínua, por retas. 8) Informações no gráfico. Além de conter a escala, o gráfico deve ser numerado e comentado. E conter uma legenda quando necessário. um gráfico deve conter todas as informações necessárias para a sua interpretação. Exemplos: Tabela 1. Os pontos experimentais apresentados na tabela representam a posição de um corpo em função do tempo. Tempo (s) 1,0 0,1 2,0 0,1 3,0 0,1 4,0 0,1 5,0 0,1 Posição (cm) 6,7 0,2 9,3 0,2 12,3 0,2 14,8 0,2 17,8 0,2 Gráfico 1. Posição de um corpo em função do tempo conforme tabela 1, em escala linear. Obtenção de informações a partir de um gráfico Uma das vantagens do uso dos gráficos é a simplicidade com que novas informações podem ser obtidas através da informação de suas formas. Em particular, se o gráfico for linear, a equação que relaciona as grandezas representadas pode ser facilmente obtida. Por esse motivo, sempre que possível, é interessante linearizar os gráficos. 1. Gráficos bilineares e equação da reta. Se o gráfico, como no exemplo 1, resulta numa reta espera-se que as grandezas representadas sejam relacionadas por uma equação que tem a forma da equação genérica de uma reta: y = A + Bx Onde A é o parâmetro linear e B o parâmetro linear. O parâmetro angular deve ser calculado como a inclinação física da reta dada por: Onde (t1, S1) e (t2, S2) são dois pontos quaisquer que pertencem à reta traçada, não são pontos da tabela de dados experimentais. O parâmetro linear é o ponto de corte no eixo das ordenadas (eixo y). Ou seja, quando o tempo t é igual a zero, o valor da posição S corresponde ao valor do coeficiente linear A. Para calcular o coeficiente angular do presente exemplo, vamos escolher dois pontos do gráfico 1. Os pontos: P1 = (1,6 ; 8,3) e P2 = (3,6 ; 13,8) Então temos que: Portanto, B = 2,75 cm. Para acharmos o coeficiente linear, fazemos t = 0. O que nos leva à posição 3,9. Portanto, A = 3,9 cm (a unidade de A é a mesma de S). Para achar o número correto de algarismos significativos A e B deve-se estimar o erro destes parâmetros a partir do gráfico. Quando num gráfico os pontos são representados por barras de erros, que indicam as margens de credibilidade dos pontos, existe mais de uma reta que passa por todas as barras de erros. Para estimar a incerteza na determinação da inclinação e do ponto de corte procede-se da seguinte maneira: traça-se uma reta com inclinação máxima (Bmax), e outra com inclinação mínima (Bmin) . Desta forma estima-se os limites inferior e superior para a inclinação e o ponto de corte, e calcula-se os erros dos parâmetros linear e angular como: e Gráfico 2. Mostra o gráfico anterior (gráfico 1) com as retas de máxima e mínima inclinação. Resulta das retas de máxima e mínima inclinação os valores: Bmax = 2,9 e Bmin = 2,6; portanto teremos um ∆B de 0,15; Amax = 4,2 e Amin = 3,5; portanto teremos um ∆A de 0,35; Assim os valores encontrados para os parâmetros linear e angular foram: B = (2,8 ± 0,2) cm/s e A = (3,9 ± 0,4) cm. Portanto a equação que rege o fenômeno pode ser escrita como: , Onde 3,9 cm é a posição inicial do corpo e 2,8 cm/s é a sua velocidade. 2.Linearização de gráficos Muitas vezes, ao construir o gráfico obtém-se uma curva que sugere uma relação geral entre as variáveis do tipo , ou dos tipos . Nestes casos, para determinar a equação da curva utiliza-se o artifício chamado de linearização de gráficos, que nada mais é do que por meio de uma mudança de variáveis, construir um novo gráfico que seja representado agora por uma reta. Para isso é necessário conhecer as relações que correspondem aos tipos de gráficos mais usuais. 2.1 Relações do tipo Funções desse tipo podem ser linearizadas fazendo uso da propriedade dos logaritmos. Tomando o logaritmo em ambos os lados da expressão obtém-se: Esta é a equação da reta obtida num gráfico em que se representa os valores de no eixo das abscissas e os valores de no eixo das ordenadas. Temos que é o parâmetro linear e é o parâmetro angular. Para traçar o gráfico da função linearizada existem duas formas: 1a) Calculando-se os logaritmos de y e de x, e construindo-se o gráfico de em papel milimetrado; 2a) Sem calcular os logaritmos e construindo-se o gráfico de em papel com escala log-log, ou di-log. O papel di-log nos qual as escalas nos eixos, vertical e horizontal, são proporcionais aos logaritmos dos números que eles representam. A linearização de gráficos é trabalhosa. O papel di-log facilita essa linearização, pois os eixos das abscissas e o eixo das ordenadas têm uma escala logarítmica de base 10, dividida em décadas, e cada década multiplica por 10 os valores da década anterior). Cada década do papel di-log pode variar entre os múltiplos ou submúltiplos de 1 a 10. Entre o início de uma década e o de outra subseqüente, há uma diferença de umfator de dez. Isto significa que, se a primeira linha da primeira década vale 1 ( , a primeira linha da segunda década vale 10 ( , e a primeira linha da terceira década vale 100 ( . Isto significa que, se a última linha da terceira década vale 10 ( a última linha da segunda década vale 100 ( e a última linha da terceira década vale 1000 ( Normalmente o papel di-log tem duas décadas no eixo das ordenadas e três décadas no eixo das abscissas. Exemplo 2: Em um experimento realizado com uma lâmpada, mediu-se a corrente em função da tensão aplicada ao filamento incandescente, e foram obtidos os dados experimentais tabelados abaixo. 22,0 60,0 91,0 180,0 330,0 520,0 0,600 2,500 4,000 11,500 26,000 49,000 Sabendo que a equação que rege o fenômeno é do tipo: , vamos determinar as constantes e . O gráfico em papel milimetrado, como você pode verificar fazendo-o, fornece uma curva não linear. Portanto, devemos aplicar a técnica da linearização. Assim, porém, para podermos comparar a equação acima com a equação reduzida da reta, é necessário aplicar a função inversa da função potência, como segue: Comparando com a equação reduzida da reta: , temos: Sabemos que o gráfico é uma reta, então, o gráfico em que a curva aparece linearizada é dado por . Pode-se achar as constantes através de: logo, . Vamos então traçar o gráfico em papel di-log do exemplo 2. Gráfico 3. Corrente em função da tensão, em escala linear. Através do gráfico, podemos calcular as constantes Para tanto, podemos escolher dois pontos experimentais quaisquer da reta (pontos do gráfico e não da tabela): ); ; A partir desses pontos calculamos O valor da constante pode ser obtido de duas maneiras. Através da análise do gráfico (ponto onde corta o eixo das ordenadas) ou pode ser calculado a partir de outro ponto experimental. Vamos determinar das duas formas: Sabemos que Então, Podemos também escolher o ponto: Sabemos que , então: Obs: os valores para encontrados a partir do gráfico e a partir do gráfico devem concordar. 2.2 Relações do tipo Funções deste tipo também podem ser linearizadas fazendo-se uso da propriedade dos logaritmos. Tomando o logaritmo em ambos os lados da expressão obtém-se: Onde é o número neperiano 2,718281828..., a base da função exponencial. Esta é a equação da reta obtida num gráfico em que os valores de x são representados no eixo das abscissas e os valores de no eixo das ordenadas. é o parâmetro linear e é o parâmetro angular. Para traçar o gráfica da função linearizada existem duas formas: 1a) Calculando-se o logaritmo de y, e construindo-se o gráfico de em papel milimetrado; 2a) Sem calcular os logaritmos e construindo-se o gráfico de y em papel com escala log-linear (papel mono-log). O papel mono-log é um papel no qual a escala vertical é proporcional ao logaritmo dos números que elas representam, enquanto a escala horizontal é o proporcional ao valor da outra variável. O papel mono-log segue a mesma lógica citada no papel di-log. Porém, no mono-log os valores dos pontos variam linearmente no eixo das abscissas e em escala logarítimica no eixo das ordenadas. Exemplo 3: Quando se liga o motor de uma lancha, ela sofre uma desaceleração. Para determinar como a velocidade (V) varia em função da distância percorrida (x). Foram feitas as medidas mostradas na tabela abaixo: x(m) 0 0,01 20,00 0,01 40,00 0,01 60,00 0,01 80,00 0,01 V(m/s) 6,00 0,02 4,80 0,02 3,85 0,02 3,08 0,02 2,47 0,02 Gráfico 4. Velocidade versus distância percorrida pela lancha em escala linear. Gráfico 5. Velocidade versus distância percorrida em escala mono-log. Como obtivemos uma reta no gráfico em escala mono-log, propomos que propomos que . E para calcularmos os valores das constantes compara-se com a equação linearizada: Com a equação geral da reta tem-se: Como as escalas horizontal e vertical são diferentes, o parâmetro angular B é calculado como a inclinação física da reta: Como o parâmetro linear representa o produto da função linearizada segue que: Por meio da mudança de base, usando-se a relação , tem-se que: Escolhendo-se dois pontos da reta ajustada: e Obtém-se (com dimensão do inverso da distância). O parâmetro linear A, que corresponde a , é determinado no gráfico por interpolação. Fazendo-se obtém-se o valor que corresponde a . No gráfico, em tem-se , que é a velocidade inicial da lancha. Portanto, a relação entre as variáveis deste exemplo é: . O que indica que a velocidade da lancha decai exponencialmente com a distância percorrida. Observação O cálculo de pode ser simplificado se escolhermos os valores de de forma conveniente. Se pegarmos , temos que: Sendo assim, caso escolhamos valores de tais como 10 e 10 , ou múltiplos de 10, podemos encontrar o valor da constante diretamente, bastando dividir 1 por ( .
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