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Universidade Estadual de Campinas – Junho de 2022 F129 - Física Experimental I GRUPO 1, TURMA 7 – Prof. André Assis Análise experimental da Lei de Hooke e da deformação de molas associadas em série Caio César Coelho Tavares Letícia Camponês do Brasil Maia Marcos Vinícius Dias do Nascimento Mateus Dutra Luiz Nicolas Gabriel Bomfim Souza Santos Rafael de Toledo Almeida Chain RA: 216290 RA: 255070 RA: 244823 RA: 238190 RA: 256724 RA: 257995 Introdução: O presente experimento resume-se no estudo da deformação duas de molas de constantes elásticas distintas, assim como a combinação em série das mesmas, a partir da medição repetitiva do des- locamento 𝑥 provocado pela acoplação, de massas conhecidas às molas penduradas em um suporte. Objetivos: Há o propósito de definir e verificar a proporcionalidade entre a força aplicada às molas e as deformaões apresentadas, relação esta expressa pela Lei de Hooke. Além disso, procura-se explorar metodicamente o caso resultante da associação em série das duas molas utilizadas. Busca-se também a correta utilização do Método dos Mínimos Quadrados para a determnação de uma Lei linear a partir dos pontos experimentais registrados para cada mola. Materiais e métodos: Primeiramente foram selecionadas duas molas de propriedades elásticas diferentes entre si, mendindo-se seus comprimentos quando relaxadas. Em seguida, com o auxílio de uma suporte com régua, a mola 1 foi pendurada, juntamente com um copo de massa desprezível neste experimento, e foram selecionadas 6 massas distintas, todas definidas por uma balança digital. Ao colocar cada massa no copo acoplado à mola, 5 medidas de seu novo comprimento foram feitas. O mesmo procedimento foi adotado para a mola 2, e em seguida para a associação em série das duas molas inciais. Ressalta-se que a medida dos comprimentos finais das molas, ao acopladas com as massas utilizadas, atentou-se ao estabilizar o sistema massa-mola, evitando sua oscilação. Resultados: Obtivemos experimentalemnte as constantes elásticas: 𝑘1 = (8,07 ± 0,07)𝑁/𝑚;𝑘2 = (9,47 ± 0,06) 𝑁/𝑚; 𝑘𝑒𝑞 = (4,26 ± 0,01)𝑁/𝑚. Já a constante elástica, prevista teóricamente, da associação em série das molas: 𝑘𝑒𝑞𝑇 = (4,35 ± 0,02)𝑁/𝑚. As retas do tipo 𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏 que melhor se adequaram aos pontos experimentais, relacionando a Força elástica (𝐹𝑒𝑙) e os deslocamentos de cada mola (𝑥), por meio do MMQ foram: 𝐹𝑒𝑙 = 8,07𝑥 − 0,027 (mola 1, onde: 𝐹0 = [0,027 ± 0,006]𝑁); 𝐹𝑒𝑙 = 9,47𝑥 + 0,475 (mola 2, onde: 𝐹0 = [0,475 ± 0,009]𝑁); 𝐹𝑒𝑙 = 4,26𝑥 + 0,078 (associação em série das molas 1 e 2, onde: 𝐹0 = [0,078 ± 0,004]𝑁). Discussões: A partir dos dados experimentais (tab. 7,10,12) foram montados gráficos relativos a cada sistema de mola, os gráficos (fig. 1,2,3) relacionam a força-peso em função do deslocamento da mola. Junto a isso, foram calculadas as incertezas: das massas de cada esfera (tab. 4), da deformação de cada mola (tab. 5, 9.1,12.1) e da a força-peso (anx. 1). Após a construção dos gráficos, utilizamos o MMQ para encontrarmos a constante elástica que melhor se enquadra nos pontos experimentas, assim pudemos obter as leis que relacionam a força-peso aplicada em função da distensão medida. A partir dos dados coletados (tab. 7,10,12), calculamos os termos presentes nas equações do MMQ para cada mola (tab. 8,11,14) e definimos o valor de K para cada mola junto à lei que a descreve. Observando os valores obtidos para as leis de cada mola (anx. 4,5,6) e tendo em conta que elas incluem valores muito próximos dos pontos muito experimentais, fica claro que a Lei de Hooke, também linear, é uma boa aproximação para modelar a física do estudo de molas. No entanto, observamos pequenos desvios em relação Lei para valores muito pequenos, haja visto que obtivemos uma lei com coeficiente linear, diferente da de Hooke. Também é coerente dizer o passo das molas utilizadas interfere nos resultados: as molas utilizadas tem o passo constante, resultando em uma lei linear. Logo, o passo é uma das variáveis que define o comportamento de uma mola, implicando na existência de molas não lineares para passos variáveis. Importante destacarmos também que o valor obtido experimentalmente (anx. 6) para ks (4,26 ± 0,01 N/m) é bem próximo do esperado teoricamente (4,35 ± 0,02 N/m) (anx. 7) e, assim, pudemos comprovar empiricamente que a constante elástica de molas associadas em série é de fato 𝑘𝑒𝑞 = (𝑘1 ⋅ 𝑘2)/(𝑘1 + 𝑘2). Vale ressaltar que os valores obtidos experimentalmente nos ajudam a entender a resistência a deformação das molas, pois a resistência cresce conforme a constante elástica é maior; tal propriedade é influenciada pela pelo material de composição da mola e sua geometria. Desse modo, todo esse entendimento nos ajuda a prever o comportamento de materiais perante à aplicação de forças contra ele, algo que pode se mostrar útil para a área da engenharia e certos campos de estudo da física. Conclusão: A partir dos cálculos elaborados com o método dos mínimos quadrados e dos resultados obtidos, pode-se depreender da atividade experimental que a Lei de Hooke é válida para os objetos de estudo desta análise, isto é, 2 molas de constantes elásticas distintas e a sua respectiva associação em série. Também foi definido, teoricamente e experimentalmente que, a melhor relação entre as constantes de 2 molas e a constante de sua associação em série é do tipo: 𝐾𝑒𝑞 = 𝑘1∙𝑘2 𝑘1+𝑘2 . Referências: STRUGANOVA, Irina. A Spring, Hooke's Law, and Archimedes' Principle. v.43, n.8, p.516-518. [https://aapt.scitation.org/doi/pdf/10.1119/1.2-120379]. FROEHLE, Peter. Reminder about Hooke’s Law and metal springs.v.37, n.6, p.368. [https://aapt.scitation.org/doi/pdf/10.1119/1.2120379]. Tabelas referentes ao relatório “Avaliação experimental da Lei de Hooke e da deformação de molas associadas em série” Tabela 1: Medições das massas penduradas, respecitivas deformações médias da mola 1 e comprimento inicial: Massa medida(kg) Deformações mensuradas(kg) Deformações médias(m) 0,0057402 0,0060 / 0,0080 / 0,0110 / 0,0070 / 0,0090 0,0082 0,0114456 0,0200 / 0,0190 / 0,0220 / 0,0190 / 0,0200 0,0196 0,0229721 0,0310 / 0,0320 / 0,0330 / 0,0320 / 0,0350 0,0326 0,0588777 0,0730 / 0,0710 / 0,0720 / 0,0740 / 0,0730 0,0726 0,0760621 0,0980 / 0,0950 / 0,0940 / 0,0980 / 0,0950 0,0960 0,1064337 0,1320 / 0,1330 / 0,1340 / 0,1340 / 0,1350 0,1336 Comprimento inicial: 0,1780 m Tabela 2: Medições das massas penduradas, respecitivas deformações da mola rígida e comprimento inicial: Massa medida (kg) Deformações mensuradas(m) Deformações médias (m) 0,0521935 0,0060 / 0,0080 / 0,0070 / 0,0070 / 0,0080 0,0072 0,0654480 0,0180 / 0,0180 / 0,0170 / 0,0150 / 0,0170 0,0170 0,0866104 0,0370 / 0,0380 / 0,0380 / 0,0360 / 0,0360 0,0370 0,1110703 0,0630 / 0,0650 / 0,0650 / 0,0640 / 0,0640 0,0642 0,1534089 0,1060 / 0,1070 / 0,1060 / 0,1080 / 0,1070 0,1068 0,1835348 0,1450 / 0,1410 / 0,1440 / 0,1430 / 0,1430 0,1432 0,2032515 0,1610 / 0,1590 / 0,1600 / 0,1590 / 0,1600 0,1598 Comprimento inicial: 0,1600 m Tabela 3: Medições das massas penduradas, respecitivas deformações da combinação de molas e comprimento inicial: Massa medida (kg) Deformações mensuradas (m) Deformações médias (m) 0,0482147 0,0940 / 0,0940 / 0,0930 / 0,0920 / 0,0930 0,0932 0,0826307 0,1730 / 0,1710/ 0,1740 / 0,1720 / 0,1720 0,1724 0,1053894 0,2230 / 0,2220 / 0,2210 / 0,2240 / 0,2230 0,2226 0,1607782 0,3540 / 0,3530 / 0,3530 / 0,3530 / 0,3520 0,3530 0,1819062 0,4000 / 0,3990 / 0,4010 / 0,4000 / 0,4000 0,4000 0,2043462 0,4520 / 0,4530 / 0,4530 / 0,4510 /0,4520 0,4522 Comprimento inicial: 0,3600 m Tabela 4: Avaliação das incertezas das massas de ambas as esferas Fonte da incerteza Símbolo para esta incerteza Incerteza padrão f.d.p utilizada Tipo de Avaliação Balança digital 𝜇𝑏 0,00000003 kg Retangular B Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,00000003kg Tabela 5: Incerteza dos deslocamentos da mola 1 Fonte da incerteza Símbolo para esta incerteza Incerteza padrão f.d.p utilizada Tipo de Avaliação Massa de 0,0057402 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑟 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0009 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,0114456 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0003 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,0229721 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0007 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,0588777 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0005 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,0760621 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0008 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,1064337 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0005 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Tabela 6: Força peso (obtida a partir de 𝑭𝒑 = 𝒎 ∙ 𝒈, com g = 9,81 m/s) e Deslocamentos médios para cada massa acoplada à mola 1 Deslocamento médio (m) Força Peso (N) 0,0082 0,0563 0,0196 0,1123 0,0326 0,2254 0,0726 0,5776 0,0960 0,7462 0,1336 1,0441 Tabela 7: Pontos experimentais da mola 1 e suas incertezas utilizados para a aplicação do Método dos mínimos quadrados; o cálculo da incerteza da força peso pode ser encontrado no Anexo 1, onde foi utilizada a propagação de incertezas Deslocamento médio [m] (eixo x) 𝜇𝑥 [m] Força Peso [N] (eixo y) 𝜇𝑦 [N] 0,0082 0,001 0,0563 0,0000003 0,0196 0,001 0,1123 0,0000003 0,0326 0,001 0,2254 0,0000003 0,0726 0,001 0,5776 0,0000003 0,0960 0,001 0,7462 0,0000003 0,1336 0,001 1,0441 0,0000003 Tabea 8: Determinação dos fatores presentes nas fórmulas do MMQ para a mola 1 𝚺𝒙′𝒊 2,7619 𝚺𝒚′𝒊 0,3626 𝚺𝒙′𝒊𝒚′𝒊 0,263072 𝚺𝒙′𝒊 𝟐 2,047167 𝑵(𝚺𝒙′𝒊 𝟐) − (𝚺𝒙′𝒊) 𝟐 4,65491039 Tabela 9.1: Incertezas dos deslocamentos da mola 2 Fonte da incerteza Símbolo para esta incerteza Incerteza padrão f.d.p utilizada Tipo de Avaliação Massa de 0,0521935 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑟 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0004 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,0654480 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0005 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,0866104 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0004 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,111703 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0004 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de ,1534089 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0004 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,1835348 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0007 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,2032515 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0004 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Tabela 9: Força peso (obtida a partir de 𝑭𝒑 = 𝒎 ∙ 𝒈, com g = 9,81 m/s) e Deslocamentos médios para cada massa acoplada à mola 2 Deslocamento médio (m) Força Peso (N) 0,0072 0,5120 0,0170 0,6421 0,0370 0,8496 0,0642 1,0896 0,1068 1,5049 0,1432 1,8005 0,1598 1,9939 Tabela 10: Pontos experimentais da mola 2 e suas incertezas utilizados para a aplicação do Método dos mínimos quadrados; o cálculo da incerteza da força peso pode ser encontrado no Anexo 1, onde foi utilizada a propagação de incertezas Deslocamento médio [m] (eixo x) 𝜇𝑥[m] Força Peso [N] (eixo y) 𝜇𝑦[N] 0,0072 0,001 0,5120 0,0000003 0,0170 0,001 0,6421 0,0000003 0,0370 0,001 0,8496 0,0000003 0,0642 0,001 1,0896 0,0000003 0,1068 0,001 1,5049 0,0000003 0,1432 0,001 1,8005 0,0000003 0,1598 0,001 1,9939 0,0000003 Tabea 11: Determinação dos fatores presentes nas fórmulas do MMQ para a mola 2 𝚺𝒙′𝒊 8,3926 𝚺𝒚′𝒊 0,5352 𝚺𝒙′𝒊𝒚′𝒊 0,85317 𝚺𝒙′𝒊 𝟐 12,06565 𝑵(𝚺𝒙′𝒊 𝟐) − (𝚺𝒙′𝒊) 𝟐 14,01877959 Tabela 12.1: Incertezas dos deslocamentos da associação das molas 1 e 2 Fonte da incerteza Símbolo para esta incerteza Incerteza padrão f.d.p utilizada Tipo de Avaliação Massa de 0,0482147 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑟 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0004 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,0826307 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0005 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,10538949 Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0005 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,16077829 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0004 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,1819062 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0004 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Massa de 0,2043462 kg Leitura da régua milimetrada 𝜇𝑝 0,0002 m Triangular B Incerteza da média 𝜇𝜎 0,0004 m Distribuição de Gauss A Incerteza de Paralaxe 𝜇𝑝 0,001 m - - Incerteza-padrão combinada para esta grandeza: 0,001 m Tabela 12: Força peso (obtida a partir de 𝑭𝒑 = 𝒎 ∙ 𝒈, com g = 9,81 m/s) e Deslocamentos médios para cada massa acoplada à associação em série das molas 1 e 2 Deslocamento médio (m) Força Peso(N) 0,0932 0,4730 0,1724 0,8106 0,2226 1,0339 0,3530 1,5772 0,4000 1,7845 0,4522 2,0046 Tabela 13: Pontos experimentais da combinação das molas 1 e 2 e suas incertezas utilizados para a aplicação do Método dos mínimos quadrados; o cálculo da incerteza da força peso pode ser encontrado no Anexo 1, onde foi utilizada a propagação de incertezas Deslocamento médio [m] (eixo x) 𝜇𝑥[𝑚] Força Peso [N] (eixo y) 𝜇𝑦[N] 0,0932 0,001 0,4730 0,0000003 0,1724 0,001 0,8106 0,0000003 0,2226 0,001 1,0339 0,0000003 0,3530 0,001 1,5772 0,0000003 0,4000 0,001 1,7845 0,0000003 0,4522 0,001 2,0046 0,0000003 Tabea 14: Determinação dos fatores presentes nas fórmulas do MMQ para a associação em série das molas 1 e 2 𝚺𝒙′𝒊 7,6838 𝚺𝒚′𝒊 1,6934 𝚺𝒙′𝒊𝒚′𝒊 2,591009 𝚺𝒙′𝒊 𝟐 11,64017 𝑵(𝚺𝒙′𝒊 𝟐) − (𝚺𝒙′𝒊) 𝟐 10,80023756 Figura 1: Grafico em folha milimetrada relacionando a força peso com o deslocamento médio da mola 1. Consta os pontos obtidos experimentalmente e a reta obtida por meio do ajuste linear. Figura 2: Grafico em folha milimetrada relacionando a força peso com o deslocamento médio da mola 2. Consta os pontos obtidos experimentalmente e a reta obtida por meio do ajuste linear. Figura 3: Grafico em folha milimetrada relacionando a força peso com o deslocamento médio da associação em série das molas 1 e 2. Consta os pontos obtidos experimentalmente e a reta obtida por meio do ajuste linear. Anexos e Figuras referentes ao relatório “Avaliação experimental da Lei de Hooke e da deformação de molas associadas em série” Anexo 1: Cálculo das incertezas da Balança digital, da régua milimetrada e da Força peso Anexo 2: Cálculo das incertezas dos deslocamentos da Mola 1, Mola 2 e da sua associação em série Anexo 2.1: Incersão da incerteza de paralaxe nas incertezas combinadas e resultante nivelamento da incerteza relacionada ao deslocamento da mola Anexo 3: Análise das forças envolvidas no experimento e dedução da Lei Linear, possivelmente a Lei de Hooke, juntamente com exibição do método utilizado em todas as molas na aplicação do Método dos mínimos quadrados Anexo 4: Aplicação do método dos mínimos quadrados para a Mola 1 Anexo 5: Aplicação do método dos mínimos quadrados para a Mola 2 Anexo 6: Aplicação do método dos mínimos quadrados para a associação de molas 1 e 2 em série Anexo 7: Demonstração teórica da melhor relação entre 𝑲𝟏 e 𝑲𝟐, de modo a encontrar 𝑲 𝒆𝒒
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