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4º Experimento – Laboratório de Física I MOVIMENTO RETILÍNEO UNIFORME (MRU) Célio de Cássio Félix Vieira Guilherme Dias Ferreira Ivan Vitor De Almeida Avelino João Marcos Santos Tolentino Lucas Tiago Pereira Gonçalves MONTES CLAROS – MG 2022 Célio de Cássio Félix Vieira Guilherme Dias Ferreira Ivan Vitor De Almeida Avelino João Marcos Santos Tolentino Lucas Tiago Pereira Gonçalves RELATÓRIO QUARTO EXPERIMENTO TÉORICO MOVIMENTO RETILÍNEO UNIFORME (MRU) Relatório requisitado pela disciplina de Laboratório de Física I, turma BCEE121IA do curso de Engenharia Elétrica, do Instituto Federal do Norte de Minas Gerais – Campus Montes Claros, com propósito de apresentar os resultados obtidos no experimento realizado na aula pratica do dia 29/03/2022. Professor: Sebastiao Batista de Amorim MONTES CLAROS – MG 2022 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO............................................................................................................. 4 2 OBJETIVOS.................................................................................................................. 2.1 Objetivos gerais.......................................................................................................... 2.2 Objetivos específicos.................................................................................................. 6 6 6 3 METODOLOGIA PROPOSTA.................................................................................. 3.1 Equipamentos e Materiais......................................................................................... 3.2 Procedimentos............................................................................................................ 4 RESULTADOS............................................................................................................. 5 CONCLUSÃO............................................................................................................... REFERÊNCIAS............................................................................................................... 6 6 8 9 13 13 4 1 INTRODUÇÃO A cinemática estuda os movimentos dos corpos, sendo principalmente os movimentos lineares e circulares os objetos do nosso estudo que costumam estar divididos em Movimento Retilíneo Uniforme (M.R.U.) e Movimento Retilíneo Uniformemente Variado (M.R.U.V.). Para qualquer um dos problemas de cinemática, deve-se estar a par das seguintes variáveis: • Deslocamento ou distância percorrida (ΔS); • Velocidade (V). Por definição um objeto está em movimento quando este, ao longo do tempo, muda sua posição em relação ao observador. Essa relação entre o deslocamento e o tempo de deslocamento é chamada de velocidade. Se, ao longo do tempo, este corpo continua se movendo com a mesma velocidade, falamos que seu movimento é uniforme. Assim, a cada intervalo igual de tempo, seu deslocamento espacial será o mesmo. Dessa forma, movimento retilíneo uniforme (M.R.U.) é descrito como um movimento de um móvel em relação a um referencial, movimentando-se ao longo de uma reta de forma uniforme, ou seja, com velocidade constante. 𝑣 = 𝛥𝑆 𝛥𝑡 (1) Sabendo que, para haver o movimento, as duas constantes (variação de espaço e variação de tempo) são diferentes de zero.Variação de espaço (𝛥𝑆): diferença entre a posição ocupada pelo objeto no instante final (𝑆𝑓) de observação e no instante inicial (𝑆𝑖). 𝛥𝑆 = 𝑆𝑓 − 𝑆𝑖 (2) Variação de tempo (𝛥𝑡): diferença entre o instante final (𝑡𝑓) de observação e no instante inicial (𝑡𝑖). 𝛥𝑡 = 𝑡𝑓 − 𝑡𝑖 (3) A velocidade calculada dessa forma é chama de velocidade média porque entre o intervalo de tempo usado, a variação do espaço pode ocorrer de formas diferentes do final ou do inicial. Por exemplo, se realizamos uma viagem de 80 km em 1 hora, podemos falar que a velocidade média 5 Onde 𝑆0 é a linha de variação de deslocamento e 𝑋 é a variação de tempo durante a execução da atividade. Imagem 01 - Gráfico M.R.U. Fonte: Infoescola nesse intervalo de tempo foi de 80 km/h. Mas sabemos que durante esse trajeto o carro andou em alguns momentos a velocidade maior que esse e com velocidade menor em outros. No entanto, se aproximarmos os instantes final e inicial cada vez mais, maiores são as chances de o espaço sofrer variações cada vez menor. Assim, o 𝛥𝑡 fica cada vez menor, cada vez mais próximo de 0 (mas nunca sendo 0, em absoluto). Teremos então a velocidade escalar instantânea. Velocidade média: 𝑉𝑚 = 𝛥𝑆 𝛥𝑡 (4) Velocidade instantânea: (5) Considerando ti, tempo inicial, como zero: 𝑆 = 𝑆𝑖 + 𝑣 ⋅ 𝑡 (6) Eis a função horária do espaço chamada assim pois, sabendo a velocidade e a posição inicial de um corpo, podemos prever sua posição final ao longo do tempo.O movimento que um corpo descreve pode ser classificado de acordo com a sua orientação em relação à trajetória percorrida, sendo movimento progressivo quando o corpo está se movendo no mesmo sentido que a trajetória, e movimento retrógrado: quando o corpo está se movendo no sentido contrário a direção da trajetória. Em síntese um gráfico de M.R.U. pode ser representado da seguinte maneira: 6 2 OBJETIVOS 2.1 Objetivos gerais Estudar o Movimento Retilíneo Uniforme de um móvel através das medidas das variáveis deslocamento, intervalo de tempo e velocidade. 2.2 Objetivos específicos 1. Representar os dados obtidos em um gráfico de posição final versus intervalo de tempo. 2. Representar os dados obtidos em um gráfico de velocidade versus intervalo de tempo. 3. Determine os coeficientes angular e linear do gráfico. 4. Comparar os coeficientes angular e linear do gráfico com as correspondentes grandezas físicas obtidas neste experimento. 5. Escrever a equação horária do movimento do carrinho. 6. Verificar se o movimento do carrinho entre os sensores pode ser considerado uniforme. 3 METODOLOGIA 3.1 Equipamentos e materiais: Para a realização do experimento foram utilizados um trilho de ar linear, um gerador de fluxo de ar, um cronômetro digital multifunções, dois sensores fotoelétricos (S1 e S2), um suporte para massas prova, um conjunto de massas; um fixador “U” de final de curso para choque elástico, uma roldana com suporte, um carrinho de metálico para trilho com pinos para interrupção do sensor, um barbante, uma fita métrica, suportes diversos, o software Microsoft Excel e o software PAST. Os equipamentos e materiais podem ser vistos nas imagens de 02 e 03. 7 Imagem 02 – Equipamentos Utilizados. Fonte: Acervo Próprio Imagem 03 – Balança de Precisão. Fonte: Acervo Próprio 8 3.2 Procedimentos Para realização desse experimento, a equipe seguiu expressamente a metodologia proposta pelo professor, dispensando assim a reapresentação de uma metodologia já conhecida. A apenas a ressalva, quanto a utilização do eletroímã, que não estava disponível para realização do experimento, por isso ele não foi utilizado. Dessa forma um dos integrantes da equipe ficava responsável por segurar o carrinho na posição inicial e o soltar paraque ele percorresse o trilho, atravessando os sensores S1 e S2. O procedimento foi repetido diversas vezes, sempre reconferindo a configuração do sistema para que houvessem o mínimo de falhas possíveis. Também vale ressaltar que o peso responsável pela aceleração do carrinho metálico, sempre encostava na bancada antes que o carrinho passasse pelo primeiro sensor, garantindo assim que a aceleração após o primeiro sensor sempre fosse o mais próxima possível de zero. As médias aritméticas foram calculadas através da fórmula: O desvio absoluto nas medidas temporais, foi calculado através da seguinte fórmula: Para se estimar se estimar a incerteza da velocidade, uma grandeza obtida indiretamente, utilizou-se o método dos valores limites, que consiste em assumir a partir dos valores máximos ∆𝑥 + 𝛿𝑥, ∆𝑡 + 𝛿𝑡 e mínimos ∆𝑥 − 𝛿𝑥, ∆𝑡 − 𝛿𝑡, um valor médio para 𝑣 e sua incerteza 𝛿𝑣, através das seguintes expressões. 𝑣𝑚á𝑥 = ∆𝑥 + 𝛿𝑥 ∆𝑡 − 𝛿𝑡 𝑣𝑚𝑖𝑛 = ∆𝑥 − 𝛿𝑥 ∆𝑡 + 𝛿𝑡 𝑣𝑚𝑒𝑑 = 𝑣𝑚á𝑥 + 𝑣𝑚𝑖𝑛 2 𝛿𝑣 = 𝑣𝑚á𝑥 − 𝑣𝑚𝑖𝑛 2 𝑣 = 𝑣𝑚𝑒𝑑 ± 𝛿𝑣 9 4 RESULTADOS Com o auxílio do cronômetro digital multifunções pode se obter a Tabela 01 para representa o tempo que o carrinho levou para percorrer cada distancia avaliada durante o experimento, e a velocidade relativa de cada etapa. 𝑚(𝑔) 𝑥0(𝑚) 𝑥(𝑚) 𝛥𝑥(𝑚) ∆𝑡1(𝑠) ∆𝑡2(𝑠) ∆𝑡3(𝑠) ∆𝑡𝑚(𝑠) 𝑣𝑚(𝑥)(𝑚/𝑠) 15,58 ± 0,01 0,060 ± 0,001 0,160 ± 0,001 0,100 ± 0,001 0,215 0,212 0,213 0,213 ± 0,001 0,469 ± 0,007 0,260 ± 0,001 0,200 ± 0,001 0,430 0,432 0,423 0,428 ± 0,004 0,467 ± 0,006 0,360 ± 0,001 0,300 ± 0,001 0,640 0,642 0,641 0,641 ± 0,001 0,468 ± 0,002 0,460 ± 0,001 0,400 ± 0,001 0,853 0,858 0,855 0,855 ± 0,002 0,468 ± 0,002 0,560 ± 0,001 0,500 ± 0,001 1,076 1,063 1,068 1,069 ± 0,005 0,468 ± 0,003 Tabela 01 – Deslocamento, intervalo de tempo e velocidade para um móvel deslocando sobre um trilho de ar. Fonte: Acervo Próprio A partir dessa tabela pode se obter que a velocidade média do móvel se deslocando sobre o trilho de ar foi 𝑣 = 0,468 ± 0,004 𝑚/𝑠 Utilizando os dados apresentados na Tabela 01 pode ser construído o Gráfico 01 com o auxílio do software PAST, o gráfico relaciona posição final do carrinho em função do intervalo de tempo, conforme apresentado a seguir. Gráfico 01 – Gráfico Computacional de posição final em função do intervalo de tempo. Fonte: Acervo Próprio 10 Nota-se que aparentemente os pontos representados no Gráfico 01 possuem comportamento linear, portanto através do processo de regressão linear dos dados da Tabela 01, obteve-se o Gráfico 02 com o auxílio do software PAST, que apresenta a reta obtida através do processo de regressão linear. Gráfico 02 – Gráfico Computacional de Regressão Linear da posição final em função do intervalo de tempo. Fonte: Acervo Próprio O PAST também disponibiliza as métricas da reta estudada, conforme demonstra a Imagem 04. Imagem 04 – Métricas do Gráfico 02. Fonte: Acervo Próprio 11 Com base nas métricas do Gráfico 02 pode se estabelecer que a equação da reta gerada por regressão linear a partir da Tabela 01 é: 𝑥(𝑡) = (0,060 ± 0,001) + (0,468 ± 0,001)𝑡 Portanto o coeficiente linear obtido para essa reta é 0,060 ± 0,001 𝑚, que significa que a posição inicial do móvel no trilho, sempre será cerca de 0,060 𝑚, ou seja, independente do tempo de percurso que o móvel irá fazer, sua posição inicial sempre será a mesma. Já o coeficiente angular obtido para a reta é 0,468 ± 0,001 𝑚/𝑠, que também pode ser interpretado como a velocidade que o corpo percorre o trilho de ar. Fica nítido que o coeficiente linear 0,060 ± 0,001 𝑚 é quase idêntico a posição inicial do experimento que é 0,060 ± 0,001 𝑚, já o coeficiente angular é 0,468 ± 0,001 𝑚/𝑠 valor extremamente próximo da velocidade média calculada anteriormente, que é 0,468 ± 0,004 𝑚/𝑠. Portanto com base nos dados coletados até o momento pode se dizer que a equação horaria do movimento do carrinho é: 𝑥(𝑡) = (0,060 ± 0,001) + (0,468 ± 0,004)𝑡 Essa equação expressa a posição instantânea do carrinho, em metros, em relação ao tempo instantâneo que o carrinho está em sua trajetória. Todavia, para descobrir o tempo que um móvel leva para atravessar o segundo sensor caso ele esteja a 3,000 𝑚 de distância do primeiro sensor, basta calcular: ∆𝑥 = 𝑥𝑓 − 𝑥𝑖 → 𝑥𝑓 = ∆𝑥 + 𝑥𝑖 𝑥(𝑡) = 𝑥𝑖 + (0,468 ± 0,004)𝑡 como 𝑥𝑓 = 𝑥(𝑡) tem-se: 𝑥𝑓 = 𝑥𝑖 + (0,468 ± 0,004)𝑡 → ∆𝑥 + 𝑥𝑖 = 𝑥𝑖 + (0,468 ± 0,004)𝑡 ∆𝑥 = (0,468 ± 0,004)𝑡 → 𝑡 = ∆𝑥 0,468 ± 0,004 𝑡 = 3,000 0,468 ± 0,004 → 𝑡 = 6,411 ± 0,055 𝑠 12 Assim fica evidente que o carrinho deverá atravessar o segundo sensor cerca de 6,411 ± 0,055 𝑠 após ter atravessado o primeiro sensor, caso a distância entre eles seja de 3,000 𝑚. Com base nos dados apresentados na Tabela 01 pode ser construído o Gráfico 03 com o auxílio do software PAST, o gráfico relaciona velocidade do carrinho em função do intervalo de tempo, conforme apresentado a seguir. Gráfico 03 – Gráfico Computacional de velocidade em função do intervalo de tempo. Fonte: Acervo Próprio Ao se analisar o Gráfico 03, fica nítido que a velocidade permanece praticamente constante. Além disso a área sombreada abaixo dos pontos, representa a distância percorrida pelo móvel, essa distância pode ser calculada através do método de cálculo de área de trapézios, que neste caso pode ser regido pela seguinte expressão: ∆𝑥 = (𝑣𝑓 + 𝑣𝑖) × (𝑡𝑓 − 𝑡𝑖) 2 13 5 CONCLUSÃO Ao se observar o experimento, pode-se concluir que o movimento do carrinho sobre o trilho e entre os sensores, pode sim ser considerado um movimento retilíneo uniforme (MRU), tendo em vista que ele manteve a velocidade do móvel praticamente constante no intervalo de distância analisado. Também ficou nítido que o coeficiente linear obtido através da regressão linear representa a posição inicial do móvel e que o coeficiente angular representa a velocidade que esse móvel percorre o trilho. Além disso conclui-se que é necessário um tempo de 6,411 ± 0,055 𝑠 para o carrinho percorrer uma distância de 3,000 𝑚 entre os dois sensores. REFERÊNCIAS: Resumo de física: Cinemática e dinâmica. Guia do Estudante, 2011. Disponível em: <https://guiadoestudante.abril.com.br/estudo/resumo-de-fisica-cinematica-e-dinamica/>. Acesso em: 01 de abril de 2022. RIBEIRO, Thyago. Cinemática. Info Escola. Disponível em: <https://www. infoescola.com/mecanica/cinematica/>. Acesso em: 01 de abril de 2022. TRIGO, Tiago. Movimento Retilíneo. Info Escola. Disponível em: <https://www. infoescola.com/fisica/movimento-retilineo/>. Acesso em: 01 de abril de 2022. HALLIDAY, D; WALKER, J.; RESNICH. Fundamentos de Física. v. 1. 8ª edição. Rio de Janeiro: LTC, 2010.