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Universidade Estácio de Sá – Campus Macaé Disciplina: Experimento: 04 CCE0848 - FÍSICA EXPERIMENTAL II Professor (a): Data de Realização: 11/04/2018 CARLOS EDUARDO BARATEIRO Nome do Aluno (a): Nº da matrícula: Nº da turma: Fernando Mendonça de Carvalho Ivo 201703079752 3039 Título do Experimento: Empuxo 1 - OBJETIVOS Ao termino desta atividade o aluno deverá ter competência para: a) Reconhecer a presença do empuxo em função da aparente diminuição da forca peso de um corpo submerso num liquido; b) Reconhecer, experimentalmente, a dependência do empuxo em função do volume do liquido deslocado e da massa específica do liquido 2 - FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA O princípio de Arquimedes trata da resposta de um fluido à presença de um corpo presente nele. O enunciado pode ser descrito com as seguintes palavras: Todo corpo total ou parcialmente imerso em um fluido em equilíbrio, na presença de um campo gravitacional, fica sob ação de uma força vertical ascendente aplicada pelo fluido; esta força é denominada empuxo e sua intensidade é igual ao peso do fluido deslocado pelo corpo. Assim sendo, podemos escrever matematicamente: Nestas equações temos m sendo a massa de fluido deslocado e g o valor do campo gravitacional no local. A massa de fluido deslocado pode ser associada ao seu volume e, logicamente, ao volume submerso do corpo da seguinte maneira (no caso de corpos com densidade uniforme): Nestas equações temos sendo a densidade do fluido e V o volume de fluido deslocado (se o corpo estiver completamente submerso no fluido este V fica sendo igual ao volume do objeto V’). Com esta análise é possível conhecer a força de empuxo ao qual um corpo estará sujeito a partir do conhecimento de uma propriedade do fluido (sua densidade) e da extensão do objeto que está submersa no fluido (o volume V). Um importante fato a ser observado é que a força de empuxo não depende nem da densidade do corpo submerso no fluido nem da sua massa. A densidade média do corpo só é relevante para sabermos se um corpo afunda ou flutua em um fluido. Esperamos demonstrar com a experiência “medindo o empuxo” que o empuxo independente da massa do corpo submerso, dependendo apenas do volume submerso. Um comentário interessante diz respeito à origem da força de empuxo. Ela está associada a um radiente de pressão. À medida que a profundidade aumenta em um fluido, maior fica sendo a pressão. Assim, temos que a força atua na direção contrária ao gradiente, de baixo para cima. Se temos um elemento infinitesimal de massa e volume imerso no fluido, o empuxo exercido sobre ele dado por (escolhendo o eixo y como apontando verticalmente para baixo): Nesta expressão é o gradiente de pressão conforme mostrado na figura ao lado. É interessante analisar a presença da força de empuxo em nosso dia a dia. Quando subimos em uma balança o que medimos não é somente o resultado direto da força gravitacional sobre nós. Devemos lembrar que deslocamos uma certa quantidade de ar e assim satisfazemos as condições do princípio de Arquimedes (fluido deslocado e presença de campo gravitacional). Isto significa que estamos sob a ação de duas forças, nosso peso e o empuxo devido ao ar. O cálculo deste empuxo pode ser feito com alguma aproximação: A influência empuxo devido ao ar corresponde a aproximadamente 0,1% do peso da pessoa. Ou seja, é muito baixa a influência do empuxo do ar sobre o peso de uma pessoa. A diferença que se observa entre o peso real de uma pessoa e seu peso no ar é justamente devido ao empuxo que o fluido proporciona e este “novo” peso se chama peso aparente. O que medimos na balança é o peso aparente! Com o auxílio de um dinamômetro podemos comprovar facilmente o Princípio de Arquimedes, Seja as duas situações ao lado onde temos um corpo suspenso no ar e depois totalmente mergulhado em um fluido. Inicialmente pesamos o corpo no ar utilizando o dinamômetro (mola). Quando o corpo está em equilíbrio, parado em relação à Terra, vem que seu peso P é igual à força para cima exercida pela mola. Isto é: Vamos supor agora a situação em que o corpo está totalmente submerso na água, preso à mola e em equilíbrio (isto é, parado em relação à Terra). Três forças estão atuando sobre ele: o peso para baixo, empuxo para cima, além da força da mola (dinamômetro) para cima. Assim temos: A força indicada pela mola quando o corpo está totalmente submerso na água o peso aparente do corpo na água, dado então por P – E. Combinando as duas últimas equações vem que o empuxo atuando sobre o corpo é dado pela diferença entre a força indicada pela mola quando o corpo está no ar para quando ele está na água, isto é: . Quando comparamos o empuxo calculado da maneira descrita acima deveremos obter: a) Se os corpos têm mesma massa e mesmo volume, o peso será igual, o peso aparente também será igual e o valor do empuxo, por consequência da igualdade do volume dos dois corpos, também será igual; b) Se os corpos têm mesma massa, mas volumes diferentes, digamos um com o dobro do volume do outro, o peso será igual, mas o valor do peso aparente será diferente pois o valor do empuxo aplicado a cada corpo é diferente em virtude da diferença do volume. O valor da força de empuxo encontrada sobre um corpo deverá ser a metade do valor da força de empuxo exercida sobre o outro corpo. c) Se os corpos têm massas diferentes, mas volumes iguais, os pesos dos corpos serão diferentes, assim como o peso aparente, mas o valor da força de empuxo deverá ser igual para os dois corpos. 3 - MATERIAIS Suporte com haste, tripé e sapatas niveladoras (EQ005) Cilindro de Arquimedes (conjunto de cilindro maciço e com o vaso cilíndrico) Dinamômetro tubular de 2 N Paquímetro Seringa de 20 ml (sem a agulha) Béquer com 250 ml de agua Equipamento montado 4 - PROCEDIMENTOS Anotamos os dados dos instrumentos de medição preenchendo a Tabela Tabela 1- Dados dos Instrumentos de Medição Modelo Fabricante Faixa de Resolução Medição Dados do MITUTOYO MITUTOYO 200mm 0,05mm Paquímetro PAQUIMETRO SUL CALIBRE AMERICANA LTDA Dinamômetro - - - - Dados da BP6 FILIZOLA 6Kg 0,001Kg Balança Fizemos a zeragem do dinamômetro antes do início das medições. Fizemos a medição do diâmetro e comprimento do cilindro utilizando o paquímetro e anotamos as incertezas da medição (desprezamos o gancho conforme orientação) – foram realizadas cinco medições e preenchemos a tabela abaixo Tabela 2 - Dados do cilindro Medidas Medição do Incerteza da Medição do Incerteza Diâmetro do Medição do Comprimento Medição do Cilindro Diâmetro do do Cilindro Comprimento Cilindro do Cilindro Medição 1 28,20mm mm 72,40mm mm Medição 2 28,30mm mm 72,40mm mm Medição 3 28,30mm mm 72,40mm mm Medição4 28,30mm mm 72,60mm mm Medição 5 28,30mm mm 72,40mm mm Tabela 3 - Dados do Vaso Medição do Incerteza da Medição do Incerteza Diâmetro do Medição do Comprimento Medição do Vaso Diâmetro do do Vaso Comprimento Cilíndrico Vaso Cilíndrico do Vaso (Interno) Cilíndrico (Interno) Cilíndrico (Interno)Medição 1 29,20mm 0,025mm 72,25mm 0,025mm Medição 2 29,40mm 0,025mm 72,25mm 0,025mm Medição 3 29,20mm 0,025mm 72,25mm 0,025mm Medição 4 29,40mm 0,025mm 72,25mm 0,025mm Medição 5 29,30mm 0,025mm 72,90mm 0,025mm Tabela 4 - Medição Dinamômetro no AR Medição do Peso Incerteza da Medição do Quando Submetido ao Peso (ar) Ar Medição 1 0,66N 0,01N Medição 2 0,70N 0,01N Medição 3 0,62N 0,01N Medição 4 0,66N 0,01N Medição 5 0,68N 0,01N Tabela 5 - Medição Dinamômetro na Água Medição do Peso Incerteza da Medição do Quando Mergulhado na Peso (Agua) Agua Medição 1 0,34N 0,01N Medição 2 0,36N 0,01N Medição 3 0,36N 0,01N Medição 4 0,34N 0,01N Medição 5 0,36N 0,01N Tabela 6 - Medição com o Dinamômetro com Béquer Medição do Peso Incerteza da Medição Quando Mergulhado no do Peso (água) Béquer Medição 1 0,70N 0,01N Medição 2 0,66N 0,01N Medição 3 0,68N 0,01N Medição 4 0,66N 0,01N Medição 5 0,70N 0,01N Cálculo média, desvio padrão e incerteza das medidas do diâmetro do cilindro; - Média: = 28,28mm - Incerteza da média: = 0,04 Ou seja, mm Tabela 7.1 - Média, desvio padrão e incerteza das medidas do diâmetro do cilindro; Dados Unidade Med. Med. Med. Med. Med. Valor Desvio do 1 2 3 4 5 Médio Padrão Diâmetro Valor mm 28,20 28,30 28,30 28,30 28,30 28,28 0,04 Incerteza = 28,28 ± 0,04 Cálculo média, desvio padrão e incerteza das medidas do comprimento do cilindro; Média: = Incerteza da média: Ou seja, mm Tabela 7.2 - Média, desvio padrão e incerteza das medidas do comprimento do cilindro; Dados do Unidade Med. Med. Med. Med. Med. Valor Desvio Comprimento 1 2 3 4 5 Médio Padrão Valor mm 72,40 72,40 72,40 72,60 72,40 72,44 0,04 Incerteza = 72,44 ± 0,04 Cálculo média, desvio padrão e incerteza das medidas do diâmetro do vaso; Média: = Incerteza da média: Ou seja, mm Tabela 8.1 - Média, desvio padrão e incerteza das medidas do diâmetro do vaso; Dados Unidade Med. Med. Med. Med. Med. Valor Desvio do 1 2 3 4 5 Médio Padrão Diâmetro Valor mm 29,20 29,40 29,20 29,40 29,20 29,28 0,04 Incerteza = 29,28 ± 0,04 Cálculo média, desvio padrão e incerteza das medidas do comprimento do vaso Média: = Incerteza da média: Ou seja, mm Tabela 8.2 - Média, desvio padrão e incerteza das medidas do comprimento do vaso Dados do Unidade Med. Med. Med. Med. Med. Valor Desvio Comprimento 1 2 3 4 5 Médio Padrão Valor mm 72,25 72,25 72,25 72,25 72,90 72,38 0,04 Incerteza = 72,38 ± 0,04 Tabela 9 - Cálculo do volume do cilindro com base nos valores obtidos e informando a incerteza desse valor. Diâmetro: 28,28mm=0,28m Comprimento: 72,44mm=0,72m Diâmetro Externo: 29,28mm=0,29m Comprimento: 72,38mm=0,72m Volume do Cilindro: = . 2. ℎ = 4,55 10−5 3 Incerteza do Volume do Cilindro: = √(0,03)2 + (0,03)2 = 0,04 (2 − 1) = 4,55 10−5 3 ± 0,04 Tabela 10 - Peso do cilindro quando “mergulhado no ar”, valor médio das medidas efetuadas e incerteza desse valor médio. Dados Unidade Med. Med. Med. Med. Med. Valor Desvio do peso 1 2 3 4 5 Médio Padrão do ar Valor N 0,66 0,70 0,62 0,66 0,68 0,66 1,12x10- 2 Incerteza = 0,66 ± 1,12 10−2 Cálculo do peso do cilindro quando “mergulhado no ar” calculando o valor médio das medidas efetuadas e informando a incerteza desse valor médio. Média: = Incerteza da média: -2 Ou seja, Tabela 11 - Valor do peso do cilindro quando “mergulhado na água”, valor médio das medidas efetuadas e incerteza desse valor médio. Dados Unidade Med. Med. Med. Med. Med. Valor Desvio do peso 1 2 3 4 5 Médio Padrão do ar Valor N 0,34 0,36 0,36 0,34 0,36 0,35 1,12x10- 2 Incerteza = 0,35 ± 1,12 10−2 Cálculo do valor do peso do cilindro quando “mergulhado na água” calculando o valor médio das medidas efetuadas e informando a incerteza desse valor médio. Média: = Incerteza da média: -2 Ou seja, Sabendo que a massa específica da água é 1 g/ 3 e considerando que o valor da aceleração da gravidade é 9,81 m/ 2, utilizando os dados de volume do cilindro, calcular o empuxo teórico ao qual o cilindro foi submetido ao ser mergulhado no fluido, informando a incerteza desse valor. Cálculo do Peso do Cilindro na água Empuxo = = (1000 / 3). ( 4,55 10−5 3). (9,81 / ) = 0,43 Incerteza do empuxo: -2 Ou seja, Tabela 12 – Valores volume do cilindro e empuxo calculado. Valor Incerteza Valor do Volume do = 4,55 10−5 3 ± 0,04 Cilindro = 4,55 10−5 3 Valor do Empuxo = 0,44 = 0,44 ± 1,12 10−2 5 - CONCLUSÕES Com os valores obtidos neste experimento respondemos as seguintes questões para a conclusão do relatório: Com base nos valores obtidos discuta os valores obtidos para os valores do empuxo calculado pelo dinamômetro (Tabelas 10 e 11) e o calculado a partir do volume (Tabela 12). Por que são diferentes? Justifique sua resposta. Tendo por base os valores apresentados acima, podemos concluir que existe a presença do empuxo no experimento conforme a teoria de Arquimedes. Nas tabelas 10,11 e 12 existe diferença do valor apresentado para a medição do empuxo. Exemplificando, o valor de 0,66 ± 1,12 10−2 da tabela 10 corresponde ao peso do cilindro apenas com ação da gravidade e o valor 0,35 ± 1,12 10−2 da tabela 11 corresponde ao peso do cilindro após entrar em contato com o fluido (água) sofrendo a ação do empuxo que exerce uma força vertical ascendente ao objeto, a diferença entre essas duas forças tem como a força resultante o empuxo. Na tabela 12, é demonstrado o valor teórico do empuxo calculado através da fórmula de Arquimedes considerando valores da geometria do objeto. Sendo assim, temos dois valores diferentes porem muito próximos que representam o valor do empuxo. O empuxo que tem por definição umdeterminado volume de um fluido deslocado após a imersão de um objeto ao no mesmo, tal fluido exerce sobre o objeto uma força vertical, contraria a gravidade, de força peso equivalente ao volume do fluido deslocado. Na Tabela 9, informe como foi calculado a incerteza do volume (desvio padrão de medidas indiretas). Justifique sua resposta. Para o calculo do desvio padrão do volume, foi utilizado à incerteza o diâmetro do cilindro somado a incerteza do comprimento, calculando a raiz quadrada das somas das quantidades de incertezas elevadas ao quadrado dividindo toda a operação pela quantidade de aferições subtraindo 01(um). Na Tabela 12, informe como foi calculado a incerteza do empuxo (desvio padrão de medidas indiretas). Justifique sua resposta. Para o calculo do desvio padrão empuxo, que possui apenas o dinamômetro como instrumento que medição, foi utilizado a incerteza desse instrumento, calculando a raiz somas das quantidades de incertezas elevadas ao quadrado dividindo toda a operação pela quantidade de aferições subtraindo 01(um) Se fosse utilizado óleo com densidade 0,85 g/cm³ ao invés de água qual seria o impacto nas medições com o dinamômetro? Justifique sua resposta. Se no experimento fosse utilizado óleo que tem densidade 0,85g/cm³, a força de empuxo medida pelo dinamômetro seria menor do que a encontrada através da agua. Isso aconteceria por que o volume de óleo (fluido) deslocado seria menor no liquido de menor densidade, já que o óleo é menos denso que agua. Desse modo, o empuxo possui uma relação com a densidade do líquido, ou seja, quanto maior a densidade, maior será a força vertical contraria a força peso com o objetivo de fazer com que o corpo ‘flutue’, denominado empuxo. Nesta experiência consideramos que o volume do cilindro é igual ao volume do fluido deslocado. Como isso pode ser demonstrado através da Tabela 9 e das Tabelas 4, 5 e 6.Justifique sua resposta. Tendo por analise esta definição, podemos afirmar que o valor do empuxo correto é através da formula de Arquimedes que considera o volume do objeto e leva em consideração o diâmetro do vaso que apresenta valores maiores que o do cilindro. Discuta se os resultados obtidos foram satisfatórios e as razões de eventuais discrepâncias. Desse modo, a aplicação do principio de Arquimedes para a compreensão do fenômeno (empuxo) se torna correta. A atenção e cuidado na aferição do dinamômetro e a coleta de dados/informação foram feitas com bastante eficácia para que não prejudicasse o resultado do experimento.
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