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12 Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Curiitba RELATÓRIO DO EXPERIMENTO 1 - DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA DE UMA CHAPA METÁLICA CAIO DANIEL OBAYASHI CARLOS EDUARDO DA CRUZ JÚLIA DE ANDRADE AGNES MATHEUS GOMES ZANELATTO CURITIBA NOVEMBRO, 2022 RELATÓRIO DO EXPERIMENTO 1 - DETERMINAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA DE UMA CHAPA METÁLICA Trabalho apresentado à disciplina de Física Experimental 1 do Curso de Engenharia Elétrica, turma S21, como requisito parcial de aprovação, Departamento Acadêmico de Física, do Câmpus Curitiba, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Professor: Sara Rachel CURITIBA NOVEMBRO, 2022 RESUMO O objetivo desse relatório é obter através da massa específica e dimensões X, Y e Z de uma chapa metálica, os erros estatísticos (tipo A) e erros sistemáticos residuais (tipo B) envolvidos nas medições. Calcular através da propagação de erros as incertezas nas medidas de volume e massa específica para alcançar a qualidade e confiança nas medições realizadas. Utilizar os instrumentos de medição como régua, paquímetro e micrômetro. Obter os resultados com o uso de vários corpos de prova e método gráfico. Estará implícito observar as diferenças entre instrumentos de baixa e alta precisão, e como isso pode afetar o resultado final. Nesse relatório será abordado o procedimento experimental executado pela equipe em sala de aula, onde todas as medidas feitas na chapa metálica foram executadas cinco vezes, utilizado como unidade de medida os milímetros (mm) e todos os algarismos significativos. E no final calcular a média, o desvio padrão e o erro estatístico ou aleatório para cada conjunto de medidas. Palavras-chave: Erros, Medição, Instrumentação, Massa Específica SUMÁRIO 1. Introdução…………………………………………………………………………….5 2. Fundamentação Teórica………………………………………….………………...5 3. Procedimento Experimental………………………………………………………...8 4. Resultados e Análise de Dados ......………………………………………….…...9 5. Discussões......................................................................................................11 6. Conclusões…………………………………………………………….……...……12 7. Referências………………………………………………………………….…......13 1. INTRODUÇÃO A massa específica mede a razão entre a massa e o volume de uma substância. Ao contrário da massa específica, a massa específica é uma propriedade da matéria, não de um corpo. Sua unidade SI é kg/m³, mas o uso de outras unidades como g/cm³ ou kg/L é bastante comum, por exemplo, em pesquisas de hidrostática. Este relatório abrange apenas cálculos de massa específica de chapa metálica. Para obter o volume, as dimensões físicas da amostra são medidas com vários instrumentos para verificar a precisão de cada dispositivo e assim ter uma aproximação do seu valor real e da sua margem de erro. 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A massa específica ρ de um material homogêneo é definida como a massa de uma amostra do material dividida pelo volume do material: A massa específica e o seu erro propagado podem ser calculados através da seguinte equação (1) (1) Onde representa a massa específica a ser calculada, a massa do corpo e , o seu volume. O volume foi calculado através das equações que envolvem a Propagação de Incertezas, tópico que será abordado adiante neste relatório. + (3) A incerteza padrão tipo A () resulta de métodos estatísticos, enquanto a incerteza padrão do tipo B () é pré-determinada pelo fabricante. O erro propagado da massa e do volume, representados respectivamente por e , podem também ser calculados. A começar pelo erro propagado da massa: (4) Cujo símbolo representa o erro do instrumento, já especificado pelo fabricante, ou baseado na menor medida divido por 2, e que representa o desvio padrão. O desvio padrão da distribuição de probabilidades é definido como a raiz quadrada positiva da variância, isto é, [5] . (5) A variável representa a medida i (i=1,i=2,...) do experimento e é a média aritmética de todas as i medidas realizadas no decorrer do experimento. O experimento 1 abrangeu uma amostragem de 5 medições. Para encontrarmos o erro aleatório ( utilizamos a seguinte equação [6]: (6) Por fim, temos o conceito de incerteza padrão total: Propagação de Incertezas: Uma grandeza w, que é calculada como função de outras grandezas x, y, z,..., pode ser representada por: (7) Onde as grandezas x, y, z, ..., são experimentais, e cujas incertezas padrões são, respectivamente, . Tabela 1 Para a realização dos cálculos utilizando os dados obtidos no experimento 01, foi necessário o uso da função representada abaixo: (8) (9) A partir do momento que obtemos esses dados, podemos escrever a massa específica como . Instrumentos utilizados: · Régua: A régua é um instrumento utilizado para medir distâncias pequenas e desenho de retas. É composta basicamente por uma escala milimétrica, marcada por uma lâmina plástica. Não exige cuidados rigorosos para manuseio. Não é um instrumento de alta precisão. · Paquímetro: O paquímetro é um instrumento usado para medir dimensões lineares internas, externas e de profundidade de uma peça, sendo assim é utilizado na atividade prática nas oficinas. Consiste em uma régua graduada, com encosto fixo, sobre a qual desliza um cursor. São construídos de aço inoxidável temperado e sua escala é graduada em milímetros e polegadas. · Micrômetro: O micrômetro é um instrumento metrológico capaz de medir as dimensões lineares de um objeto (tais como espessura, altura, largura, profundidade, diâmetro etc.) com precisão da ordem de micrometros, que são a milionésima parte do metro. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Inicialmente, utilizamos uma chapa metálica disponibilizada no laboratório, para pesarmos a mesma por cinco vezes consecutivas. Esse passo foi feito utilizando uma balança de precisão com erro instrumental de 0,10 g. Após isso, começamos o experimento de medição fazendo o dimensionamento do Corpo de Prova (chapa metálica, foto ilustrativa em anexo). Com auxílio da régua milimétrica para medir o comprimento, do paquímetro para a largura e do micrômetro para a espessura, sendo ambas as medidas executadas cinco vezes, utilizando o milímetro como unidade de medida. Corpo de Prova (imagem ilustrativa) Chamamos os lados de C, L e E vamos analisar as equações de volume e erro de propagação do volume. Partindo das equações já conhecidas por nós: + (3) (4) Depois de verificada as equações, a chapa metálica teve seu peso dividido pelo seu respectivo volume, encontrado por cada instrumento (régua, paquímetro e micrômetro), para assim encontrar a massa específica e o seu respectivo erro, segundo as equações 8 e 9. 4. RESULTADOS E ANÁLISE DE DADOS A seguir, vamos mostrar os valores obtidos através da medição realizada através do uso da régua, do paquímetro e do micrômetro. Primeiramente, foi preenchida a tabela de medidas de massa da chapa metálica. Tabela 1: Valores médios e desvios padrão da medida da massa que terá as dimensões medidas mais à frente: Medida Massa (g) 1 60,68 2 60,68 3 60,68 4 60,68 5 60,68 Média 60,68 Erro instrumental 0,10 Desvio padrão 0 Erro estatístico 0 Tabela 2: Medidas das dimensões e da massa da chapa e os respectivos erros estatísticos. (Dados obtidos para o item 4.1 do roteiro utilizando a régua (Lado C), o paquímetro (Lado L) e o micrômetro (Lado E) para medir a chapa metálica) Medida Lado C (mm) Lado L (mm) Lado E (mm) 1 124,5 32,90 1,938 2 125,0 32,95 1,929 3 124,9 32,90 1,992 4 124,2 32,95 1,993 5 124,3 33,00 1,918 Média 124,6 32,94 1,954 Erro instrumental 0,5 0,05 0,001 Erro estatístico 0,1 0,01 0,016 Erro combinado 0,5 0,05 0,016 Para os cálculos de massa específica, obtivemos, a partir das equações analisadas, os respectivos valores para volume, erro combinado do volume, erro combinado da massa, massa específica eerro da massa específica: Tabela 3 : Erros sistemáticos e padrão total das dimensões e da massa da chapa; volume e massa especifica da chapa e os respectivos erros propagados. Grandeza Unidade C 124,6 0,2 0,5 0,5 124,60,05 mm L 32,94 0,02 0,05 0,05 32,940,05 mm E 1,954 0,016 0,001 0,016 1,9540,016 mm M 60,68 0 0,01 0,01 60,680,01 g V - - - - 8,020,07 cm - - - - 7,570,07 g/cm 5. DISCUSSÕES Vale a pena ressaltar, que o tratamento superficial da peça interfere nas medições, a peça medida possuía imperfeições, por conta disso, foram tiradas 5 medidas de cada dimensão da peça e depois utilizada a média aritmética. Para uma melhor precisão dos resultados, o ideal seria uma maior amostragem de dados. Pelo experimento realizado é possível observar a diferença de precisão entre os instrumentos utilizados. O micrômetro sendo o mais preciso entre os utilizados, possuía o menor erro total (), em contraste a régua, que foi considerado o menos preciso dos três instrumentos utilizados. 6. CONCLUSÕES Concluindo então, percebe-se que é impossível obter um resultado sem uma margem de erro, portanto deve-se atentar aos instrumentos usados no experimento, sempre verificando se estão devidamente calibrando, para que esses sejam os mais precisos possíveis. Passando, assim, o menor erro possível para os resultados do experimento. 7.REFERÊNCIAS HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de física: gravitação, ondas e termodinâmica. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016. v.2. E-book. JURAITIS, K. R.; DOMICIANO, J. B. Introdução ao laboratório de física experimental. Londrina: EDUEL, 2009. PIACENTINI, J.J.; GRANDI, B. C. S.; HOFMANN, M. P.; DE LIMA, F. R. R.; ZIMMERMANN, E. Introdução ao laboratório de física. 3. ed. Florianópolis: Editora da UFSC, 2008. SEARS, F. W.; ZEMANSKY, M. W; YOUNG, H. D.; FREEDMAN, R. A.; Física II: termodinâmica e ondas. 12.ed. São Paulo: PEARSON ADDISON-WESLEY, 2008-2009. v. 3. SERWAY, R. A.; JEWETT, J. W. JR. Princípios de física: oscilações, ondas e termodinâmica. 5. ed. São Paulo: CENGAGE LEARNING, 2014. v.2. E-book. TIPLER P. A.; MOSCA, G. Física para cientistas e engenheiros: mecânica, oscilações e ondas, termodinâmica. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. v. 1. E-book. VUOLO, J. H. Fundamentos da teoria de erros. 2.ed. São Paulo: BLUCHER, 1996. image1.png image2.png image3.png image4.png