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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA LABORATÓRIO DE MECÂNICA CLÁSSICA: TEORIA E PRÁTICA Mossoró - RN 2013 Sumário Desenvolvimento do Curso 3 Obrigações dos alunos para a aula experimental 5 Direitos dos alunos 6 I Primeira Unidade 7 1 Experimento - Erros e Medidas Experimentais 8 1.1 Objetivos 8 1.2 Introdução 8 1.3 Materiais Utilizados 9 1.4 Procedimento Experimental 10 1.4.1 Calcular a área de um bloco de madeira 10 1.4.2 Determinar o volume, o peso e a densidade de um bloco cilíndrico 10 1.4.3 Questão teórica - Regressão Linear 11 1.5 Conclusões 12 2 Experimento - Construção de Gráficos 13 2.1 Objetivos 13 2.2 Introdução 14 2.2.1 Regressão Linear 14 2.2.2 Gráficos de um polinômio de grau n 14 2.3 Materiais Utilizados 15 2.4 Procedimento Experimental 15 2.4.1 Velocidade Quadrática Média 15 2.4.2 Momento de Inércia 16 2.5 Conclusões 16 1 2 3 Experimento - Queda Livre 18 3.1 Objetivos 18 3.2 Introdução 19 3.3 Materiais Utilizados 19 3.4 Procedimento Experimental 19 3.4.1 Equações 21 Média e Desvio padrão 21 Regressão Linear 21 3.5 Conclusões 22 4 Experimento - Movimento no Plano 24 4.1 Objetivos 24 4.2 Introdução 24 4.3 Materiais Utilizados 25 4.4 Procedimento Experimental 25 4.5 Questão teórica 26 4.6 Conclusões 27 3 APRESENTAÇÃO O Laboratório de Mecânica Clássica é parte integrante do ciclo básico do curso de Bacha- relado em Ciência e Tecnologia da UFERSA. O objetivo dessa apostila é apresentar a nova metodologia que será abordada nas aulas de laboratório. As aulas experimentais são fundamentais para que os alunos tenham a oportunidade de observar as aplicações da Física Clássica na Engenharia. Por isso, os professores de Laboratório de Mecânica Clássica acreditam que essa nova me- todologia irá contribuir de forma mais efetiva, aumentando a participação de todos os alunos. Além disso, os alunos irão aprender a organizar e apresentar as ideias, aprenderão a falar em público, o que é extremamente importante para o desenvolvimento acadêmico e profissional do aluno. Por fim, essa nova abordagem será adotada, com a finalidade de estimular ainda mais o trabalho em equipe, onde todos os integrantes deverão saber explicar a metodologia envolvida na execução das aulas experimentais. Desenvolvimento do Curso As primeiras aulas da disciplina de Laboratório de Mecânica Clássica (LMC - EXA0122) serão reservadas para a apresentação da metodologia, que será adotada durante todo o curso. A disciplina será dividida em três unidades que são compostas por quatro experimentos que estão dispostos a seguir. Ao final do quarto experimento, de cada unidade, os alunos farão uma avaliação referente à teoria e prática daquela unidade. Os roteiros serão disponibilizados no início do semestre ou no mínimo com uma semana de antecedência das aulas experimentais. Primeira Unidade • Erros e Medidas Experimentais • Construção de Gráficos 4 • Queda Livre • Movimento no Plano • Avaliação da primeira unidade Segunda Unidade • Vantagem Mecânica da Roldana • Equilíbrio no Plano Inclinado • Conservação da Energia Mecânica • Conservação da Energia Mecânica - Energia Potencial Elástica • Avaliação da segunda unidade Terceira Unidade • Conservação do Momento Linear - Colisões • Conservação do Momento Linear • Pêndulo Balístico • Conservação do Momento Angular • Avaliação da terceira unidade De forma geral, as turmas de LMC-EXA0122 possuem 25 alunos. Os alunos serão dis- tribuídos em equipes com 5 integrantes. Todos os alunos deverão estudar o roteiro e a teoria referente aquela aula experimental. As equipes deverão montar uma apresentação (data show ou lousa), onde todos os integrantes das equipes devem participar ativamente. A equipe que ficará responsável pela explicação da parte experimental e a teoria necessária para a compreensão e execução do roteiro será sorteada pelo professor antes da aula. Durante a apresentação, o professor poderá fazer explicações complementares, para chamar a atenção sobre algum item importante daquele roteiro. A nota do aluno, em cada unidade, será calculada segundo à equação: Ni = N ∑ i=1 (Ri +Si)+P (0.0) 5 onde Ni é a nota da unidade, Ri são os roteiros, Si é a nota referente à apresentação e P é a nota da prova. Os roteiros e o seminário equivalem a 50 % da nota, os outros 50 % para a prova. Para a apresentação da aula expositiva, os alunos devem seguir as seguintes orientações: • Apresentar a motivação para o aprendizado do assunto, incluindo as aplicações na Enge- nharia. • Apresentação dos cálculos completos, incluindo incertezas, bem como os gráficos quando houver. • Correlacionar a teoria com a prática, deduzindo as equações apresentadas no roteiro da aula experimental, quando possível. • Apresentar o procedimento experimental e a execução de todas as etapas do roteiro. • Disponibilizar o material expositivo em arquivo pdf para os outros alunos da turma. Obrigações dos alunos para a aula experimental 1. Os alunos devem chegar no horário da aula. O professor poderá dar uma tolerância de, no máximo, 10 minutos de atraso. 2. Todos os alunos devem ter em mãos o roteiro de aula. 3. O tema da aula experimental deve ser de conhecimento prévio do aluno. A aula não é teórica. Nesse caso, pesquisar e estudar é OBRIGAÇÃO de todos os alunos. 4. Os alunos devem realizar todos os experimentos da aula e responder todas as questões NO MESMO HORÁRIO da aula. 5. Entregar os cálculos e outras respostas do experimento de forma organizada e bem legível preenchidas a caneta. 6. Os grupos formados serão sempre os mesmos até o fim da disciplina. 7. Faltas serão RIGOROSAMENTE determinantes. O aluno NÃO poderá realizar experi- mentos com outro professor. Se faltar à aula prática, NÃO haverá reposição de experi- mento e o aluno perderá a nota do roteiro (1,25). 6 8. Todos os alunos deverão assinar o seu próprio nome e a turma nos roteiros. Direitos dos alunos 1. O aluno tem o direito à revisão e discussão da correção dos roteiros e das provas com o professor da disciplina, até 5 dias após divulgação das notas. 2. As notas e as faltas serão divulgadas antes do início da próxima unidade. 3. O aluno tem o direito à prova de reposição. Porém, o professor tem a liberdade de marcar a data e o horário, bem como o conteúdo. PARTE I Primeira Unidade 8 CAPÍTULO 1 Experimento - Erros e Medidas Experimentais Turma: Nome: Nome: Nome: Nome: Nome: 1.1 Objetivos Durante a aula sobre Erros e Medidas Experimentais, os alunos irão aprender a utilizar o paquímetro para medir as dimensões de peças. De posse das medidas, a equipe responsável deverá explicar a ideia sobre a propagação de erros, regras de arredondamento, apresentar uma breve introdução aos conceitos de estatística, transformações de unidades (exemplos: potên- cias de 10, centímetros para metros etc) e regressão linear. Além disso, a equipe deve fazer uma breve definição sobre erros aleatórios e erros sistemáticos com as suas possíveis causas e, como proceder para reduzir tais erros. Aprender como medir o peso de objetos utilizando um dinamômetro. 1.2 Introdução a - Média Aritmética (x) - O valor mais provável de uma grandeza é a média aritmética das diversas medidas da grandeza. A média aritmética é calculada a partir da equação: 9 x = ∑Ni=1xi N = 1 N (x1 + x2 + x3 + ...+ xN) (1.1) b - Desvio de uma medida - o desvio de uma medida é definido como a diferença entre o valor de uma medida individual e o seu valor mais provável, ou seja, ∆xi = xi - x. c - DesvioPadrão - o desvio padrão é um dos parâmetros que são utilizados para dar uma indicação da tendência das medidas de estarem distribuídas em torno do seu valor mais provável. Matematicamente, o desvio padrão é dado por: σ = √ ∑Ni=1(xi− x)2 n−1 (1.2) d - Desvio padrão da média - A interpretação para o desvio padrão da média é semelhante ao desvio padrão. σm = σ N (1.3) e - Divulgação do resultado experimental - O resultado da medida de uma grandeza ex- perimental deve ser divulgado, com o valor mais provável da medida com o seu desvio padrão da média (x ± σm). 1.3 Materiais Utilizados • Calculadora científica • Régua com escala milimetrada • Bloco de madeira retangular • Paquímetro digital • dinamômetro (capacidade máxima 2N) • blocos cilíndricos 10 1.4 Procedimento Experimental 1.4.1 Calcular a área de um bloco de madeira (Sugestão: represente os valores com a quantidade correta de algarimos significativos.) O grupo deverá determinar a área A de um objeto retangular, através da medida direta dos seus lados com um paquímetro e uma régua. Cada componente do grupo deverá realizar uma medida dos lados (L1 e L2) e preencher a tabela abaixo: Tabela 1.1 Valores experimentais dos lados do bloco e a média aritmética. Lado 1 (mm) Lado 2 (mm) L1= L2= σx= σx= Propagação de erros A = L1xL2± (σL1L2 +σL2L1) (1.4) A = ( ± ) mm2 1.4.2 Determinar o volume, o peso e a densidade de um bloco cilíndrico O grupo deverá determinar o volume de um bloco cilíndrico, através da medida direta dos seus lados com um paquímetro. Cada componente do grupo deverá realizar uma medida do diâmetro e a altura e preencher a tabela abaixo: A densidade do bloco cilíndrico pode ser calculada segundo à equação: ρ = m V (1.4) 11 Tabela 1.2 Valores experimentais das dimensões do bloco cilíndrico. diâmetro (m) altura (m) massa (kg) D= h= m= σD= σh= σm= Propagação de erros ρ = m V ± ( σmV +σV m V 2 ) (1.5) ρ = ( ± ) kgm3 1.4.3 Questão teórica - Regressão Linear Um dos métodos utilizados para medir a constante elástica (k) de uma mola é o chamado método dinâmico. O método consiste em colocar massas diferentes na extremidade de uma mola e fazê-la oscilar, medindo, para cada massa diferente, o período de oscilação. A equação que relaciona as duas variáveis é dada pela equação: T = 2pi √ m k (1.6) onde T é o período, m é a massa do corpo suspenso e k é a constante elástica da mola (N.m−1) Tabela 1.3 Medidas do período de oscilação de um pêndulo, com os respectivos desvios. m (kg) 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 T(s) 0,703 1,062 1,251 1,472 1,640 Regressão Linear a = ∑Ni=1 xiyi− 1N ∑Ni=1 xi∑Ni=1 yi ∑Ni=1 x2i − 1N (∑Ni=1 xi)2 (1.7) 12 b = ∑Ni=1 yi−a∑Ni=1 xi N (1.8) 1.5 Conclusões (Sugestão: A conclusão deve possuir comentários sobre os resultados experimentais, pos- síveis erros e como proceder para minizá-los.) 13 CAPÍTULO 2 Experimento - Construção de Gráficos Turma: Nome: Nome: Nome: Nome: Nome: 2.1 Objetivos No experimento - Construção de Gráficos, os alunos deverão aprender como construir o gráfico de uma grandeza experimental. A equipe responsável pela explicação desse roteiro de- verá fazer uma revisão das principais funções matemáticas (função linear, função quadrática, função inversa, função logarítmica natural e na base 10, função exponencial) e seus respectivos gráficos, potenciação e propriedades dos logarítmos (natural e base 10). A equipe deve mostrar como montar o gráfico no papel milimetrado e fazer a leitura do mesmo. Falar sobre a im- portância da linearização de uma função matemática. Além disso, dar sequência na técnica de regressão linear para a obtenção dos parâmetros (coeficiente angular e coeficiente linear). 14 2.2 Introdução 2.2.1 Regressão Linear a = ∑Ni=1 xiyi− 1N ∑Ni=1 xi∑Ni=1 yi ∑Ni=1 x2i − 1N (∑Ni=1 xi)2 (2.1) b = ∑Ni=1 yi−a∑Ni=1 xi N (2.2) Equação da Reta −→ y = ax + b. onde a é o coeficiente angular da reta, b é o coeficiente linear. 2.2.2 Gráficos de um polinômio de grau n Os gráficos de funções matemáticas do tipo: y = cxn (2.3) onde n pode assumir qualquer número real (ℜ). Dependendo do valor de n, o gráfico pode ser uma reta, uma parábola etc. Para o caso geral, a função pode ser linearizada usando as propriedades de logarítmo, da seguinte forma: y = cxn (2.4) logy = log(cxn) (2.5) logy = logc+nlogx (2.6) Comparando a equação 2.6 com a equação da reta, nós podemos concluir que: log c = b, ou seja, o coeficiente linear da reta e, usando a propriedade de potenciação, nós escrevemos que c= 10b. O coeficiente angular (a) da reta é o parâmetro n na equação 2.6, após a linearização. Os coeficientes angular (a) e linear (b) podem ser calculados utilizando a Regressão Li- near (equações 2.1 e 2.2, respectivamente). (Sugestão: represente os valores com a quantidade correta de algarimos significativos.) 15 2.3 Materiais Utilizados • Calculadora científica • Régua com escala milimetrada • Papel milimetrado 2.4 Procedimento Experimental 2.4.1 Velocidade Quadrática Média A velocidade quadrática média (vqm) das moléculas de um gás monoatômico está relacio- nada com sua massa molecular (M) e com a temperatura absoluta (K) através da equação: vqm = √ 3kBT M (2.7) onde kB é a constante de Boltzmann (kB= ,138 x 10−38 J.mol−1.K−1). Em uma experiência, mediu-se a velocidade quadrática média do ar, variando-se sua temperatura. Os dados obtidos encontram-se na tabela abaixo: Tabela 2.1 Medidas da velocidade quadrática média e a temperatura absoluta (K). vqm(m/s) 485,00 568,50 630,70 705,60 761,50 T(K) 273 373 473 573 673 a - Linearize a equação, identificando as variáveis dependente e independente, bem como os coeficientes linear e angular. b- Utilizando a regressão linear, determine a equação da melhor reta e represente-a graficamente, juntamente com os pontos experimentais. c - A partir dos valores obtidos no item (b), determine o valor da massa molecular do gás (em g/mol). Dados: 1 mol −→ 6,023 x 1023 moléculas. (Sugestão: represente os valores com a quantidade correta de algarimos significativos.) 16 2.4.2 Momento de Inércia O momento de Inércia (I) está relacionado com a resistência que determinado objeto oferece quando tentamos rotacioná-lo. O momento de inércia de um disco metálico uniforme, de massa desconhecida e raio r=0,015m, é determinado fazendo-o girar sob a ação da força peso de uma outra massa m=0,0100 kg suspensa por um fio que está inicialmente enrolado no disco metálico. Para uma mesma altura de queda da massa m, mediu-se o ângulo φ de rotação do disco metálico e o tempo correspondente, conforme a tabela abaixo: Tabela 2.2 Medidas do ângulo φ (rad) e o tempo t em segundos. φ (rad) 12,24 76,50 295,10 480,00 800,80 t (s) 49,5 123,7 242,9 310,0 400,2 A equação que relaciona estas grandezas é dada por: φ = Ktn (2.8) a - Linearize a equação dada, identificando as variáveis dependentes e independentes e os coeficientes linear e angular. b - Faça o gráfico da equação linearizada. c - A partir do gráfico, determine o valor de n e de K, com suas respectivas unidades. d - Sabendo-se que: K = mgr 2Icm (2.8) calcule o valor do momento de inércia Icm do disco metálico. Considere a aceleração da gravi- dade g = 9,7915 m.s−2. 2.5 Conclusões 17 (Sugestão: A conclusão deve possuir comentários sobre os resultados experimentais, pos- síveis erros e como proceder para minizá-los.) 18 CAPÍTULO 3 Experimento - Queda Livre Turma: Nome: Nome: Nome: Nome: Nome: 3.1 Objetivos No experimento - Queda Livre, os alunos deverão aprender como estimar uma grandeza experimental. A equiperesponsável pela explicação desse roteiro deverá fazer uma revisão histórica, da antiguidade até os dias atuais, sobre os experimentos utilizados para determinar o módulo da aceleração da gravidade. Discutir sobre a variação do módulo da aceleração da gravidade com a altitude e longitude. A equipe deve mostrar como montar o gráfico no papel milimetrado e fazer a leitura do mesmo. Falar sobre a importância da linearização de uma função matemática. Além disso, dar sequência na técnica de regressão linear para a obtenção dos parâmetros (coeficiente angular e coeficiente linear). Discutir as possíveis fontes de erros na execução desse experimento. Caracterizar o movimento de queda livre (QL), compará-lo com o movimento retilíneo uniformemente acelerado (MRUA) e determinar o valor aproximado da aceleração da gravidade no local do experimento. 19 3.2 Introdução O movimento de queda livre é um caso particular do movimento retilíneo uniformemente acelerado que é dado pela equação: h(t) = h0 + v0t + 1 2 gt2 (3.0) onde h(t) é a altura do móvel no tempo t, h0 a altura a partir da qual o móvel cai, v0 a velocidade inicial do móvel (nula se a queda é livre) e g é a aceleração da gravidade. 3.3 Materiais Utilizados • Painel vertical com escala • sistema de retenção e haste com fixador • 1 esfera metálica • Sensores fotoelétricos • Cronômetro digital • Régua milimetrada • Papel milimetrado 3.4 Procedimento Experimental No painel vertical com escala milimetrada podem ser fixados dois fotosensores. O primeiro sensor que está posicionado no zero da escala, dispara o cronômetro quando seu feixe de luz é interrompido. O segundo fotosensor para a contagem do cronômetro quando sua luz é bloque- ada. Desse modo, consegue-se medir o intervalo de tempo de queda da esfera que é registrado pelo cronômetro. Sabendo disso faça o seguinte: 1. O sensor inferior de ser fixado a uma dada altura. 20 2. A esfera deve ser liberada cinco vezes, a partir do fotosensor que está posicionado no ponto de referência. 3. Os tempos devem ser anotados na tabela para futuros cálculos do tempo médio e o desvio padrão da média. 4. O fotosensor de referência não pode ser removido até o fim da aquisição de dados. 5. Varie o fotosensor inferior para outra posição na escala graduada e repita a coleta dos tempos e os cálculos da média e desvio padrão. 6. O fotosensor deve ser fixado em outras posições e os tempos devem ser anotados na tabela. Tabela 3.1 Medidas das alturas h (m) e do tempo de queda de uma esfera. Medida 1 2 3 4 5 h (m) t σt t1(s) t1= σt1= t2(s) t2= σt2= t3(s) t3= σt3= t4(s) t4= σt4= t5(s) t5= σt5= Tabela 3.2 Medidas das alturas h(m) e as médias dos tempos ao quadrado (ti)2) para a construção do gráfico (h vs (ti)2)). h (m) (ti)2) b - Para a execução do experimento - Queda Livre, a resistência do ar foi desconsiderada. Se fosse considerado a resistência do ar, como ficaria a função horária para a velocidade do projétil considerando que a resistência do ar é dado por ~F=-b~v. Estime a velocidade terminal da esfera. 21 3.4.1 Equações Média e Desvio padrão x = ∑Ni=1xi N = 1 N (x1 + x2 + x3 + ...+ xN) (3.1) σ = √ ∑Ni=1(xi− x)2 n−1 (3.1) σm = σ N (3.1) Regressão Linear a = ∑Ni=1 xiyi− 1N ∑Ni=1 xi∑Ni=1 yi ∑Ni=1 x2i − 1N (∑Ni=1 xi)2 (3.1) b = ∑Ni=1 yi−a∑Ni=1 xi N (3.1) 22 3.5 Conclusões 23 (Sugestão: A conclusão deve possuir comentários sobre os resultados experimentais, pos- síveis erros e como proceder para minizá-los.) 24 CAPÍTULO 4 Experimento - Movimento no Plano Turma: Nome: Nome: Nome: Nome: Nome: 4.1 Objetivos No experimento - Movimento no plano, os alunos deverão aprender sobre vetores e decom- posição de vetores em termos de suas componentes. Nesse caso, as componentes x e y dos vetores velocidade (~v) e deslocamento (~r). A equipe responsável pela explicação desse roteiro deverá fazer uma revisão sobre representação de vetores e seus versores (vetores unitários), trigonometria básica (seno, cosseno e tangente). Discutir sobre a obtenção das equações que descrevem o movimento. A equipe deve explicar como analisar a parte teórica do experimento, montar e executar a parte experimental. Apresentar a motivação teórico - prático para estudar tal assunto. Além disso, falar sobre a importância da manipulação matemática das equações. 4.2 Introdução Nesta atividade, aplicaremos as equações da cinemática para o movimento de uma esfera maciça lançada como um projétil contra um alvo, que cai sob efeito da gravidade no momento 25 do disparo (Queda livre). O projétil deve atingir o alvo, seja qual for sua velocidade inicial de lançamento, desde que o alvo esteja dentro da trajetória do projétil. Toda a fundamentação teórica deverá ser abordada pela equipe responsável pela explicação, consultando no livro texto a parte de queda livre e movimento no plano (movimento em duas dimensões). 4.3 Materiais Utilizados • Duas esferas maciças • Lançador de projéteis • Sistema de largada eletromagnético • Régua, trena, papel carbono e papel branco 4.4 Procedimento Experimental Figura 4.1 Lançamento de projétil. a - Posicione o lançador formando um ângulo θ entre 30o e 45o. Realize um tiro livre e meça o alcance horizontal xalc= (ver Figura 1). Anote o valor do ângulo θ= . b - Coloque a haste do sistema de largada numa distância de x menor que xalc. Alinhe o lançador de projéteis de modo que aponte diretamente para a esfera acoplada ao sistema de largada. Se necessário altere a posição do sistema de largada eletromagnético. Realize vários tiros e verifique a colisão entre as esferas. 26 c - Com os valores de xalc, y0 e θ , calcule a velocidade inicial . vO = da esfera lançada. d - Com o valor de vO , ximp e θ calcule a altura yimp onde as esferas colidirão. yimp = . Com o auxílio de uma régua (e um papel carbono colado a mesma) colo- cada na linha vertical sobre a qual a esfera presa a bobina cairá, realize um disparo e anote o valor marcado na régua( yexp = ). Compare yexp com o valor de yT calculado. yexp yT . Explique seu resultado. 4.5 Questão teórica - Durante as erupções vulcâncias, grandes pedaços de pedra podem ser lançados para fora do vulcão, esses projéteis são conhecidos como bombas vulcânicas. A figura mostra uma seção tranversal do monte Fuji, no Japão. a - Com que velocidade inicial uma bomba teria que ser lançada, com um ângulo θ0 = 350 em relação à horizontal, a partir da cratera A, para cair no ponto B, a uma distância vertical h = 3,30 km e a uma distância horizontal de d = 9,40 km? Ignore o efeito da resistência do ar sobre o movimento da bomba. b - Qual seria o tempo do percurso? c - O efeito da resistência do ar aumentaria ou diminuiria a resposta do item (a) Figura 4.2 Lançamento de projétil. 27 4.6 Conclusões (Sugestão: A conclusão deve possuir comentários sobre os resultados experimentais, pos- síveis erros e como proceder para minizá-los.) Desenvolvimento do Curso Obrigações dos alunos para a aula experimental Direitos dos alunos I Primeira Unidade Experimento - Erros e Medidas Experimentais Objetivos Introdução Materiais Utilizados Procedimento Experimental Calcular a área de um bloco de madeira Determinar o volume, o peso e a densidade de um bloco cilíndrico Questão teórica - Regressão Linear Conclusões Experimento - Construção de Gráficos Objetivos Introdução Regressão Linear Gráficos de um polinômio de grau n Materiais Utilizados Procedimento Experimental Velocidade Quadrática Média Momento de Inércia Conclusões Experimento - Queda Livre Objetivos Introdução Materiais Utilizados Procedimento ExperimentalEquações Média e Desvio padrão Regressão Linear Conclusões Experimento - Movimento no Plano Objetivos Introdução Materiais Utilizados Procedimento Experimental Questão teórica Conclusões
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