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Ministério da Educação UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Londrina 1 Laboratório de Física 2 Prof. Sidney Alves Lourenço Curso: Engenharia de Materiais Grupo: --------------------------------------------------------------------------------------------------------- Sistema massa-mola Experimento - 6 _________________________________________________ Introdução Oscilações são encontradas em todos os campos da física. Alguns exemplos de sistemas mecânicos vibratórios são: pêndulos, diapasões, cordas de instrumentos musicais, colunas de ar em instrumentos de sopro, etc. O conceito de oscilações é aplicado, também, a sistemas elétricos, conforme será visto no Laboratório de Física 2, onde são estudados circuitos oscilantes LC, RLC, etc. Nos sistemas mecânicos vibratórios, existe movimento vibratório de um sistema físico, ou seja, uma certa massa m movimenta-se sob a ação de uma força restauradora. Nos sistemas elétricos não existe um movimento vibratório de um corpo ou massa, mas sim a variação da intensidade de uma ou mais grandezas elétricas, as quais variam, periodicamente, desde um valor mínimo até um valor máximo. Um dos exemplos de sistema mecânico vibratório, mais simples, é o de uma massa m, situada sobre uma mesa horizontal, sem atrito, e presa a uma mola cuja constante elástica é k. Medindo-se a posição x da massa, em relação à extremidade da mola em repouso, isto é, considerando-se x como a elongação da mola, então a força restauradora que a mola exerce sobre a massa é dada por: kxFx (1) Como já foi admitido que não existe atrito, isto é, nenhuma outra força age sobre o corpo, além da força restauradora, a equação do movimento é dada pela 2a lei de Newton: kx dt xdm 2 2 ou seja 02 2 m kx dt xd (2) A equação (2) é uma equação diferencial de 2a ordem cuja solução geral é: )cos( 0 twAx (3) onde, A é a amplitude da oscilação, e; m kw 0 (4) é a freqüência angular do sistema e é a fase inicial do movimento. Ministério da Educação UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Londrina 2 Uma vez escolhidas a massa e a mola, estarão definidos os valores de m e k e, então, a relação (4) mostra que estará definido o valor de ow , ou seja, os parâmetros m e k definem a freqüência natural ( ow ) do sistema. O período do movimento oscilatório é dado por: k m w T 22 0 (5) O que foi apresentado, até aqui, refere-se a um sistema massa-mola situado sobre uma mesa sem atrito. A força resultante que atua na massa m é a própria força restauradora. Se o sistema massa-mola estiver pendurado, existirá a força peso atuando sobre m, além da força restauradora da mola, conforme se esclarece a seguir. A figura 1(a) representa a mola pendurada, livre, ou seja, sem qualquer objeto nela pendurado. A figura 1(b) representa uma situação de equilíbrio estável da massa m, pois é nula a soma das duas forças que agem sobre ela: a força restauradora da mola (-kx) equilibra a força peso (mg), sendo, portanto, nula a força resultante sobre m. A figura 1(c) representa a distensão ou elongação inicial A que é aplicada à mola, a qual, após ser solta, dá início ao movimento harmônico. Se o movimento ocorrer livremente, sem amortecimentos, as oscilações deverão conservar a amplitude A. Existem duas maneiras equivalentes de escrever a 2a lei de Newton ou equação de movimento, relativa ao presente problema, dependendo do referencial escolhido: Se o referencial x=0 for escolhido na extremidade inferior da mola livre, correspondente à figura 1(a), a equação de movimento é escrita como: mgkx dt xdm 2 2 (6) Figura 1 – Desenho esquemático do dispositivo experimental, mostrando a elongação, A, da mola no instante em que se solta o sistema massa‐mola. Ministério da Educação UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Londrina 3 Se o referencial x = 0 for escolhido na posição de equilíbrio do sistema massa-mola, correspondente à figura 1(b), a equação de movimento deve ser escrita como: kx dt xdm 2 2 (7) Ambas as formas são fisicamente equivalentes, mas a (7) é mais fácil de ser resolvida, pois tem exatamente a forma da (2). Portanto, também as relações (3), (4) e (5) são válidas para o presente problema. Objetivos: Obter a constante elástica da associação de molas pelo método estático. Reconhecer as principais propriedades do MHS no oscilador massa-mola: determinar a amplitude A, o período T, a constante elástica K pelo processo dinâmico, verificar e discutir a conservação da energia mecânica. Prática 1 – Medição da constante elástica equivalente de uma associação em série e em paralelo de duas molas. 1.1 Objetivos do experimento Medição da constante elástica equivalente da associação em série das duas molas utilizando o método estático. Medição da constante elástica equivalente da associação em paralelo das duas molas pelo método estático. 1.2 Equipamentos e montagem do dispositivo experimental Uma das molas deve ser pendurada na extremidade inferior da outra no modo em serie. Com o uso de suporte, na forma de cabide, podem ser penduradas paralelamente as duas molas. 1.3 Procedimento experimental Usando as molas cujas constantes elásticas já foram medidas anteriormente (k1 e k2) associe-as, em série e, após pendurar uma massa conhecida, meça a elongação e determine a constante elástica eqK da associação. Repita os procedimentos para uma associação em paralelo. A teoria diz que a constante elástica equivalente da associação em serie de 2 molas é dada por1 )( 21 21 kk kkKeq , (18) A teoria diz que a associação em paralelo de duas molas é dada por2 21 kkKeq (19) 1.4 Análise Após medir as constantes elásticas eqK das associações, compare-as com os seus valores teóricos. 1 O estudante deverá deduzir tal relação, que é uma expressão semelhante à de uma associação em paralelo de dois resistores elétricos. 2 Da mesma forma a tal relação é uma expressão semelhante à de uma associação em série de dois resistores. Ministério da Educação UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Londrina 4 Figura 2 – Associação em série em paralelo de duas molas. Prática 2 – Medição da constante elástica de molas helicoidais pelo método dinâmico 2.1 Objetivo Medir as constantes elásticas de duas molas helicoidais que possuem comprimentos quase iguais, pelo método dinâmico, ou seja, pelo estudo das oscilações harmônicas. 2.2 Materiais: 1. Molas helicoidais; 2. Massa aferidas; 3. Porta peso; 4. Suporte para prender as molas; 5. Régua graduada; 6. Cronômetro. 2.3 Procedimento experimental Em todo o experimento, cada grupo irá usar um par de molas: mola 1 e mola 2. Determine a massa de cada mola e identifique-as, etiquetando-as, com o número 1 ou 2. A figura 1(c) representa a distensão inicial, A, que é aplicadaà mola, contendo uma massa m, sendo que ao se soltar o sistema massa-mola, ocorrerá o início do movimento harmônico. Faça, então, uma montagem apropriada, isto é, semelhante à da figura 1(c) e, meça A em, no máximo, uns 2cm, para que se obtenham pequenas oscilações, ou seja, oscilações de pequenas amplitudes. Quando se solta o sistema, após duas ou três oscilações deve-se acionar o cronômetro digital, de preferência se marcando as oscilações num referencial no meio da oscilação, deve ser marcado um tempo para completar 15 oscilações plenas. Deve-se repetir o procedimento por, pelo menos umas 5 vezes, e a média deve ser registrada na tabela, na linha correspondente à massa pendurada. Repetir todo o procedimento para, pelo menos 5 massas diferentes. Dar preferência às massas maiores, sem, no entanto, danificar as molas. Nas tabelas seguintes, respectivamente referentes à mola 1, as três colunas da esquerda são destinadas ao registro dos dados. As colunas da direita são destinadas à análise dos referidos dados. Ministério da Educação UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Londrina 5 Tabela 1 – dados de massa e média de períodos de oscilações para a mola 1. massa Tempo de 15 osc Período T log T log m 2T 2.4 Análise 2.4.1 Análise sem levar em consideração a massa da mola (valores aproximados). Construa, no computador, os gráficos log T versus log m para ambas as molas. Lembre- se: log m no eixo horizontal e log T no eixo vertical. Analise os parâmetros A e B, obtidos com o ajuste linear dos pontos experimentais, e obtenha as constantes elásticas: k1d da mola conforme orientações apresentadas a seguir. A obtenção das referidas constantes elásticas deve ser feita de forma investigativa. Deve- se partir do princípio de que não se conhece a relação (5) entre T e m, ou seja, supõe-se que a referida relação, 2/1.. mctemcteT , não é conhecida. Admite-se, apenas, que a relação entre T e m é do tipo bmaT . (13) onde os parâmetros a e b têm de ser determinados. A aplicação de log em ambos os membros da igualdade (13) conduz a: bmaT .loglog ou seja, mbaT log.loglog (14) Esta função linear Tlog versus mlog deve ser confrontada com a função linear, genérica, Y = A + B.X , obtida no ajuste dos pontos, no gráfico. Em outras palavras, deve ser feita a seguinte confrontação: mbaT log.loglog (14-a) com XBAY . (15) Da confrontação, resultam as relações seguintes: Bb e Aa log (16) Obviamente, o parâmetro B deve ter um valor próximo de 2 1 , pois este é o valor que se espera obter para b, para que, ao final, a relação (8) recaia na (5). O estudante irá perceber que a qualidade dos dados experimentais (valor do parâmetro de correlação R) é tanto melhor, quanto mais próximo de 2 1 for o valor obtido para o parâmetro B. Da segunda relação (16), obtém-se: Aa 10 (17) Visto que os valores dos parâmetros A e B são intrinsecamente vinculados, entre si, no ajuste dos dados experimentais, é claro que o valor de A é tanto melhor quanto mais próximo de Ministério da Educação UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Campus Londrina 6 2 1 for o valor de B. Nestas condições, a expressão (12) deverá conduzir a um valor de a que pode ser comparado com k 2 , conforme previsto teoricamente na (5). Desta última comparação surge o valor experimental de k d, onde o subscrito d refere-se ao método dinâmico. Como complemento, o aluno deve fazer os gráficos de 2T versus m, e fazer a devida análise. Compare os valores de k obtidos pelos dois métodos (estático e dinâmico). Se houve diferenças, procure identificar fontes de erro. 2.4.2 Análise que leva em conta a massa da mola que oscila (valores mais exatos). Otimização dos dados experimentais Quando é muito pequena a massa m suspensa, a massa da mola, sm , torna-se não- desprezível em comparação com a massa m. Nestas condições, é melhor introduzir uma correção da massa, pois, conforme se vê na teoria anteriormente desenvolvida, tudo se passa como se na mola estivesse suspensa uma massa ideal de valor 3 smmM . Preencha as duas colunas. Tabela 3 – Massas efetivas ou corrigidas. M1 M2 Refaça os gráficos log T versus log M, para obter novos valores de kd’. Houve diferenças em relação aos valores sem correção? Explique. Referências Básicas: 1) Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jearl. Fundamentos de Física. Vol. 2 – Gravitação, Ondas e Termodinâmica, 8a Edição. Livros Técnicos e Científicos, 2009. 2) Sears, Francis; Young, Hugh D.; Freedman, Roger A.; Zemansky, Mark W.; Física II – Termodinâmica e Ondas, 12a Edição, Addison Wesley, 2008. 3) Tipler, Paul A. Física: para Cientistas e Engenheiros – Vol. 2, 824 pp., 5a Edição. Livros Técnicos e Científicos, 2006.
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