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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RORAIMA CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE FÍSICA RELATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL I FORÇA ELÁSTICA Relatório de aula prática, apresentado como pré-requisito à obtenção parcial de nota referente à disciplina de Física Experimental I, da Universidade Federal de Roraima. Orientador: Roberto Ferreira. BOA VISTA, RR. Outubro/2014 ADLER F. PEREIRA FILHO ADRIANO J. PIMENTEL DO NASCIMENTO JONAS LEITE PORTELA NATHAN V. BORGES DO NASCIMENTO TALITA HELLEN GONÇAVES LOPES 1 Sumário 1. RESUMO .................................................................................................................. 2 2. FORÇA ELÁSTICA ................................................................................................. 3 3. OBJETIVOS.............................................................................................................. 4 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................................... 4 4.1. MATERIAIS UTILIZADOS ............................................................................ 4 4.2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ........................................................ 4 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO .............................................................................. 5 5.1. EXPERIMENTO 1 – UMA MOLA ................................................................. 5 GRÁFICO .................................................................................................. 6 EQUAÇÃO DA RETA .............................................................................. 7 5.2. EXPERIMENTO 2 –MOLAS EM SÉRIE ..................................................... 10 5.3. EXPERIMENTO 3 – MOLAS EM PARALELO .......................................... 12 6. CONCLUSÃO ........................................................................................................ 15 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 16 8. ANEXOS ................................................................................................................. 17 LISTA DE FIGURAS Pág. FIGURA 2-1 - Gráfico do coeficiente angular da reta................................................. 3 FIGURA 2-2 – Gráfico da área hachurada.................................................................... 4 FIGURA 5-1: Esquema do sistema massa mola............................................................ 5 FIGURA 5.1.2 - 1– Cálculo da constante elástica através do gráfico (α)..................... 7 FIGURA 5.1.2 -2 – Gráfico da equação da Reta do experimento 1.............................. 8 FIGURA 5.1.2 -2 – Gráfico do cálculo da área............................................................. 9 FIGURA 5.2-1 - Sistema massa mola em associação em série.................................... 10 FIGURA 5.2-2 - Sistema massa mola em associação em série.................................... 11 FIGURA 5.3-1 - Sistema massa mola em associação em paralelo................................ 12 FIGURA 5.3-2 - Sistema massa mola em associação em paralelo............................... 13 LISTAS DE GRÁFICOS Pág. TABELA 5 -1: Medidas dos pesos................................................................................ 5 TABELA 5-2: Medidas de comprimento das molas..................................................... 5 TABELA 5.1-1: Medidas obtidas para o sistema de uma mola.................................... 6 TABELA 5.1-2: Medidas obtidas das constantes K para uma mola............................. 6 TABELA 5.1.1-1: Medidas de conversão de escala do gráfico ................................... 6 TABELA 5.1.2 – Equivalência dos pontos do gráfico.................................................. 7 TABELA 5.2-1: Medidas obtidas para o sistema de molas em associação em série.... 10 TABELA 5.2-2: Medidas obtidas das constantes K em associação em série............... 10 TABELA 5.3-1: Medidas obtidas para o sistema de molas em associação paralelo..... 13 TABELA 5.3-2: Medidas obtidas das constantes K em associação em paralelo.......... 13 2 1. RESUMO Este relatório apresenta os resultados experimentais obtidos em laboratório para determinar a constante elástica em um sistema massa mola em associação em série e paralelo. Utilizando conceitos da lei de Hooke, conservação de energia e do trabalho realizado por uma força, possibilitando encontrar a constante elástica em um sistema de uma e mais molas. 3 2. FORÇA ELÁSTICA Um sistema massa-mola é constituído por uma massa acoplada a uma mola que se encontra fixa a um suporte. A deformação da mola e proporcional à força aplicada para comprimir e/ou esticar a mola, a qual é dada pela Lei de Hooke: A intensidade da força elástica (Fel) é proporcional à deformação (x): F = - k . x Onde: F é a força aplicada; X é a deformação sofrida pela mola e; k é a constante elástica da mola. O sinal negativo na equação acima indica que a força exercida pela mola tem sempre o sentido oposto do deslocamento da sua extremidade livre. A constante elástica da mola depende de suas características físicas, de ser mais ou menos rígida e a unidade dessa constante é Newton por metro (N/m). Pela lei de Hooke, a cada esforço F realizado numa mola helicoidal cilíndrica fixa por uma das extremidades corresponde uma deformação proporcional y.A partir do momento que deformamos a mola, isto é, conhecemos o vetor deformação X, conhecemos também a forca restauradora, e vice versa. Essa propriedade possibilita a construção de um medidor de forças. Examinando o gráfico abaixo podemos verificar: FIGURA 2-1 - Gráfico do coeficiente angular da reta 𝛼 = 𝑘 = 𝐹2 − 𝐹2 𝑋2 − 𝑋1 tan 𝛼 = �⃗� �⃗� = 𝑘 4 Calculando a área hachurada do gráfico teremos: FIGURA 2-2 – Gráfico da área hachurada Área = (𝑏𝑎𝑠𝑒).(𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎) 2 = (𝑥).(𝑘𝑥) 2 = 1 2 𝑘𝑥2 3. OBJETIVOS Conhecer a força elástica; Determinar a constante elástica em função da elongação; Interpretar o significado da área hachurada do gráfico da força em função da elongação; Verificar a associação de molas em série; Verificar a associação de molas em paralelo. 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1. MATERIAIS UTILIZADOS Duas molas; Pesos de chumbo; Uma régua; Um suporte; Papel Milímetrado. Uma balança 4.2. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Inicialmente posicione a mola como mostrado na figura abaixo, e coloque suspenso um peso. Posicionando a régua de modo que o pequeno anel inferior da mola coincida com o traço da régua, deve-se olhar para o painel e a régua horizontalmente. Logo em seguida anote 5 na tabela especificado o valor suspenso do peso P e a correspondente deformação X, repita o procedimento para três massas diferentes. Em seguida, repita o procedimento anterior, mas agora colocando duas molas juntas, em associação em série e anote os resultados. Repita novamente os procedimentos anteriores, desta vez a mola deve estar em associação em paralelo. 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO Conforme especificado nos procedimentos experimentais obtivemos as seguintes medidas para os pesos: TABELA 5 -1: Medidas dos pesos Corpos de prova Gramas (g) ±0,1𝑔 Kg ±10−4 Força Peso Fp (Fp = m.g) PESO 1 64,2 0,0642 0,630 PESO 2 91,3 0,0913 0,895 PESO 3 118,6 0,1120 1,120 A massa especificada acima já consta a massa da hastee dos corpos de prova usados em laboratório. Medindo o comprimento das molas A e B sem a ação de nenhuma força, apresentaram as seguintes medidas: TABELA 5-2: Medidas de comprimento das molas MOLAS Comprimento da mola (cm) Comprimento da mola (m) ±10−3m A 11,1 ±0,1 cm 0,111 B 11,0±0,1 cm 0,110 A+B 22,1 ±0,1 cm 0,211 5.1. EXPERIMENTO 1 – UMA MOLA Montou-se o seguinte sistema ajustando a mola que suspendia um corpo livre até atingir um equilíbrio, conforme a figura abaixo: FIGURA 5-1: Esquema do sistema massa mola 6 Desta forma foi possível obter as seguintes medidas: TABELA 5.1-1: Medidas obtidas para o sistema de uma mola PESOS X(cm) ±0,1 cm X (m) Comprimento da mola A (m) ∆𝑥 (m) Peso 1 14,9 0,149 0,111 m 0,149 - 0,111 = 0,038 Peso 2 16,0 0,160 0,111 m 0,160 - 0,111 = 0,049 Peso 3 17,5 0,175 0,111 m 0,175 - 0,111 = 0,064 Assim é possível calcular a constante elástica através da fórmula: 𝐹 = −𝑘𝑥 → 𝑘 = 𝐹 𝑥 TABELA 5.1-2: Medidas obtidas das constantes K para uma mola PESOS Força Peso (N) ∆𝑥 (m) K (N/m) Peso 1 0,630 0,038 16,580 Peso 2 0,895 0,049 18,265 Peso 3 1,120 0,064 17,500 Calculando a média da constante elástica (K), obtivemos: �̅� = 16,580 + 18,265 + 17,500 3 = 17,450 (𝑁/𝑚) GRÁFICO Faça um gráfico F em uma função de X, e determine, a partir de gráfico, qual o valor da constante elástica k da mola. Como se pede um gráfico da força em função da deformação é necessário escolher uma variável dependente, neste caso a força, e uma variável independente que é a deformação. Assim determinamos que a força F vai ser expressa ao longo do eixo (Y) e a deformação no eixo (X). Antes de tudo, é necessário calcular a escala tanto da força quanto da deformação, como é mostrado na tabela abaixo: TABELA 5.1.1-1: Medidas de conversão de escala do gráfico Fazendo as proporções para eixo X Deformação (X) Fazendo as proporções para eixo Y Força (N) 0,064 140mm X=0,038x140/0,064 1,120 140 mm Y = 0,630x140/1,120 0,038 x X = 83,1 mm 0,630 Y Y = 78,7 mm 0,064 140mm X=0,049x140/0,064 1,120 140 mm Y = 0,895x140/1,120 0,049 x X = 107,1 mm 0,895 Y Y = 111,9 mm 0,064 140mm X=0,064x140/0,064 1,120 140 mm Y = 1,120x140/1,120 0,064 x X = 140 mm 1,120 Y Y = 140 mm 7 O gráfico consta no anexo 1 deste relatório. Verificando o, temos que a tangente do ângulo formado pela reta da função linear F(x) com o eixo X é igual a: tan 𝜃 = �⃗� �⃗� = 𝑘 (𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎) Assim vemos que a força em função da deformação nos dá que tan θ = k, desta forma as coordenadas (x, y) de qualquer ponto da reta podem ser utilizadas para encontrar a constante elástica (K) da mola. Escolhendo um ponto do gráfico teremos: P(0,064 ; 1,120) temos: K = 1,120 0,064 = 17,5 (𝑁/𝑚) EQUAÇÃO DA RETA Escolhendo dois pontos da reta do gráfico temos os seguintes potnos: P1(91,90) e P2(138,140), convertendo este pontos que estão dados em centímetro (cm) teremos o seguinte processo: TABELA 5.1.2 – Equivalência dos pontos do gráfico Fazendo as proporções para eixo X Deformação (X) Fazendo as proporções para eixo Y Força (N) 0,064 140mm 0,064x91/140 1,120 140 mm 1,120x90/140 X 91 X = 0,0416 Y 90 Y = 0,720 0,064 140mm 0,064x138/140 1,120 140 mm 1,120x140/140 X 138 X = 0,063 Y 140 Y = 1,120 Assim teremos os seguintes pontos: P1(0,0416 ; 0,720) e P2(0,063 ; 1,120). Estes pontos agora estão relacionados com os pontos correspondentes as força F e a deformação X do gráfico. Desta forma é possível calcular, conforme a figura abaixo, α: FIGURA 5.1.2 - 1– Cálculo da constante elástica através do gráfico (α) 8 𝛼 = 𝐹2 − 𝐹1 𝑋2 − 𝑋1 = 𝐾 𝛼 = 1,120 − 0,720 0,063 − 0,0416 = 0,4 0,0214 = 18,691 (𝑁/𝑚) Quando calculamos α encontramos o valor da constante elástica (k), que é coeficiente angular da reta. Em posse disto podemos calcular a equação da reta dado por: Y – Y0 = α (X – X0) Y – 0,720 = 18,691(X – 0,0416) Y = 18,691X – 0,7775 + 0,720 Y = 18,691X – 0,055 Para verificar nossos cálculos, foram colocados os pontos das forças em relação a deformação no Excel e produzidos o gráfico e a equação da reta. FIGURA 5.1.2 -2 – Gráfico da equação da Reta do experimento 1 O trabalho total WS realizado pela mola Xi a Xf é a soma de todos esses trabalhos: WS = ∑ - Fxj∆Xi Onde j = 1,2,3,... é o número de ordem de cada segmento. No limite em que ∆Xi tenda zero, a Eq. acima se torna: y = 18,62x - 0,0556 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 Fo rç a F (N ) ΔX (m) 9 WS = ∫ −𝐹𝑥 𝑑 𝑥𝑓 𝑥𝑖 𝑥 De acordo com a lei de Hooke F = -kx, o módulo da força é igual a kx, logo: WS = ∫ −𝑘𝑥 𝑑 𝑥𝑓 𝑥𝑖 𝑥 = -K∫ 𝑥 𝑑 𝑥𝑓 𝑥𝑖 𝑥 WS = 1 2 𝐾𝑥𝑖 2 − 1 2 𝐾𝑥𝑓 2 (𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑢𝑚𝑎 𝑓𝑜𝑟ç𝑎 𝑒𝑙á𝑠𝑡𝑖𝑐𝑎) Assim é possível calcular o trabalho realizado pela mola utilizando a área do gráfico e equação acima. Desta forma, conforme o gráfico em anexo (Apêndice 1), segue: FIGURA 5.1.2 -2 – Gráfico do cálculo da área Área = (𝑏𝑎𝑠𝑒).(𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎) 2 = (𝑥).(𝑘𝑥) 2 = 1 2 𝑘𝑥2 Área = (0,064).(1.120) 2 = 1 2 (17.45)(0.026)2 ~ 0,006 J Utilizando a integral especificado acima, segue: WS = ∫ −𝑘𝑥 𝑑 𝑥𝑓 𝑥𝑖 𝑥 = -K∫ 𝑥 𝑑 𝑥𝑓 𝑥𝑖 𝑥 = −17,45 ∫ 𝑥 𝑑 0,026 0 𝑥 = −17.45 (0.026)2−(0)2 2 WS ~ 0.006 J Assim verifica-se que a área do gráfico é o trabalho total realizado pela mola em questão. 10 5.2. EXPERIMENTO 2 –MOLAS EM SÉRIE Repetindo o procedimento anterior mas agora utilizando duas molas que encontravam- se em associação em série, conforme mostra FIGURA 5.2-1 logo abaixo, obtivemos os seguintes resultados: TABELA 5.2-1: Medidas obtidas para o sistema de molas em associação em série PESOS X(cm) ±0,1 cm X (m) ±10−3m Comprimento total das molas (m) ∆𝑥 (m) Peso 1 30,7 0,307 0,211 0,307 - 0,211 = 0,096 Peso 2 33,5 0,335 0,211 0,335 - 0,211 = 0,124 Peso 3 36,4 0,364 0,211 0,364 - 0,211 = 0,153 Observação: para calcular o comprimento da mola total, fizemos a soma da mola A com a mola B, conforme especificado na TABELA 5-2: Medidas de comprimento das molas FIGURA 5.2-1 - Sistema massa mola em associação em série Utilizando a equação abaixo para encontrar a constante elástica obtivemos a tabela: 𝐹 = −𝑘𝑥 → 𝑘 = 𝐹 𝑥 TABELA 5.2-2: Medidas obtidas das constantes K em associação em série PESOS Força Peso (N) ∆𝑥 (m) K (N/m) Peso 1 0,630 0,096 6,563 Peso 2 0,895 0,124 7,218 Peso 3 1,120 0,153 7,320 Calculando a média da constante elástica (K), obtemos: �̅� = 6,563 + 7,218 + 7,320 3 = 7,034 (𝑁/𝑚) Qual a relação entre o valor de k obtido no experimento anterior com o k deste experimento? 11 FIGURA 5.2-2 - Sistema massa mola em associação em série Duas molas em associação em série possui uma única forca equivalente que atua sobre elas, mas cada uma tem uma constante elástica, k1 e k2. F1 = F2 = Feq (Feq =força equivalente) (1) Existirá também uma deformação Xeq dado pela soma deformação da mola A com a mola B: Xeq = X1 + X2 (2) X = 𝐹 𝑋 → 𝑋1 = 𝐹1 𝐾1 𝑒 𝑋2 = 𝐹2 𝐾2 (3) Da mesma forma teremos uma constante elástica equivalente: Keq = 𝐹𝑒𝑞 𝑋𝑒𝑞(4) Tomando (2) e (3) teremos: Xeq = 𝐹1 𝐾1 + 𝐹2 𝐾2 (5) Substituindo (5) na equação (4), temos: Keq = Feq Xeq = Feq F1 K1 + F2 K2 (6) Como F1 = F2 = Feq segue: Keq = Feq Xeq = Feq Feq K1 + Feq K2 (7) Manipulando a equação (7) obtemos: Feq = 𝑘𝑒𝑞 . ( Feq k1 + Feq k2 ) → Feq 𝑘𝑒𝑞 = ( Feq k1 + Feq k2 ) x 1 Feq 1 𝑘𝑒𝑞 = ( 1 k1 + 1 k2 ) (8) Portanto em uma associação em série de duas molas o inverso da constante elástica da mola equivalente (𝑘𝑒𝑞) é igual à soma dos inversos das constantes elásticas das duas molas em questão. 12 No experimento obtivemos uma constante elástica equivalente para o sistema em associação em série das molas A e B, assim Keq = 7,034 (𝑁/𝑚), e no experimento anterior encontramos a constante elástica para a mola A, logo K1 = 17,450 (𝑁/𝑚). Substituindo na equação (8) teremos: 1 𝑘𝑒𝑞 = ( 1 k1 + 1 k2 ) → 1 7,034 = ( 1 17,450 + 1 k2 ) → 1 7,034 = 17,450 + k2 17,450 k2 17,450 k2 = (7,034)(17,450 + k2) 17,450 k2 = 122,743 + 7,034k2 17,450 k2 − 7,034k2 = 122,743 10,416k2 = 122,743 → k2 = 122,743 10,416 = 11,784 (𝑁/𝑚) Portanto temos que K1 = 17,450 (𝑁/𝑚), K2 = 11,784 (𝑁/𝑚) e a constante equivalente desta associação é igual Keq = 7,034 (𝑁/𝑚). 5.3. EXPERIMENTO 3 – MOLAS EM PARALELO Repetindo o procedimento, desta vez utilizando duas molas em associação em paralelo, conforme mostra FIGURA 5.3-1 logo abaixo, obtivemos os resultados mostrados na TABELA 5.3-1. FIGURA 5.3-1 - Sistema massa mola em associação em paralelo. 13 TABELA 5.3-1: Medidas obtidas para o sistema de molas em associação paralelo PESOS X(cm) ±0,1 cm X (m) ±10−3m Comprimento total das molas (m) ∆𝑥 (m) Peso 1 12,4 0,124 0,1105 0,124 - 0,1105= 0,0135 Peso 2 13,5 0,135 0,1105 0,135 - 0,1105 = 0,0245 Peso 3 14,3 0,143 0,1105 0,143 - 0,1105= 0,0325 Observação: Como o comprimento das molas possuía uma pequena variação, para calcular o comprimento da mola total em paralelo, com o intuito de não alterar o resultado final, utilizamos a média da mola A com a mola B, medidas de comprimento conforme especificado na TABELA 5-2. A constante elástica é obtida pela equação: 𝐹 = −𝑘𝑥 → 𝑘 = 𝐹 𝑥 TABELA 5.3-2: Medidas obtidas das constantes K em associação em paralelo PESOS Força Peso (N) ∆𝑥 (m) K (N/m) Peso 1 0,630 0,0135 46,67 Peso 2 0,895 0,0245 36,53 Peso 3 1,120 0,0325 34,47 A média da constante elástica K é dado por: �̅� = 46,67 + 36,53 + 34,47 3 = 39,22 (𝑁/𝑚) Qual a relação entre o calor de K obtido no primeiro experimento e com o segundo? FIGURA 5.3-2 - Sistema massa mola em associação em paralelo Diferente da associação em série, a força exercida em uma associação paralela entre duas molas A e B é divindade ambas as molas, e a deformação é a mesma para as duas. Assim: X1 = X2 = Xeq (Xeq = deformação equivalente) (1) 14 Existirá também uma força equivalente Feq dado pela soma de forças aplicados na mola A com a mola B: Feq = F1 + F2 (2) 𝐹 = 𝑘. 𝑥 → F1 = K1.X1 e F2 = K2.X2 (3) Da mesma forma teremos uma constante elástica equivalente: 𝑘𝑒𝑞 = 𝐹𝑒𝑞 𝑋𝑒𝑞 → 𝑘𝑒𝑞 = 𝐹1 + 𝐹2 𝑋𝑒𝑞 → 𝑘𝑒𝑞 = 𝐾1𝑋1 + 𝐾2𝑋2 𝑋𝑒𝑞 (4) De acordo com equação (1) X1 = X2 = Xeq, Keq pode ser reescrita da seguinte forma: 𝑘𝑒𝑞 = 𝐾1𝑋𝑒𝑞 + 𝐾2𝑋𝑒𝑞 𝑋𝑒𝑞 → 𝑘𝑒𝑞 = 𝑋𝑒𝑞(𝐾1 + 𝐾2) 𝑋𝑒𝑞 𝑘𝑒𝑞 = 𝐾1 + 𝐾2 (5) Portanto em uma associação em que duas molas está em paralelo a constante elástica equivalente (𝑘𝑒𝑞), é obtido pela soma das constantes elásticas das duas molas A e B. Tomando este princípio e sabendo que Keq = 39,22 (𝑁/𝑚), obtido neste experimento e K1 = 17,450 (𝑁/𝑚), obtido no primeiro experimento com a mola A, podemos calcular a constante elástica da mola B utilizando a equação (5), de modo que: 𝑘𝑒𝑞 = 𝐾1 + 𝐾2 (5) 𝐾2 = 𝑘𝑒𝑞 − 𝐾1 𝐾2 = 39,22 (𝑁/𝑚) − 17,45 (𝑁/𝑚) 𝐾2 = 21.77 (𝑁/𝑚) Portanto temos que K1 = 17,450 (𝑁/𝑚), 𝐾2 = 21.77 (𝑁/𝑚) e a constante equivalente desta associação é igual Keq = 39,22 (𝑁/𝑚). 15 6. CONCLUSÃO Por meio deste experimento e análise dos resultados obtidos em laboratório e discutidos aqui, concluímos que as molas, tanto as que estavam em um sistema de uma mola, em série e paralelo, seguem a Lei de Hooke, já que a deformação da mola é proporcional à força exercida sobre a mesma. Verifica-se que a maior diferença encontrada nas medidas de deformação ocorreu nos maiores pesos, sendo que a mola não ultrapassou seu limite de elasticidade, uma vez que, ao serem retirados os pesos, as molas retornaram para a posição inicial. Utilizando a lei Hooke foi possível calcular as constantes envolvidas e verificar que o experimento mostra à realidade da mola. Com os dados obtidos, foi possível estabelecer uma relação entre os experimentos onde as molas encontrava-se em associação em série e paralelo. Comparando ambas as associações, em série e paralelo, é possível visualizar que a constante elástica do sistema de molas em série é menor que as constantes elásticas de cada mola, e para no sistema de molas que se encontra em paralelo é maior que as outras constantes das molas. Vale ressaltar que, quando é cessada a força deformadora da mola, ela volta à posição inicial, assim ela possui uma força restauradora. Podem ter aparecido algumas diferenças nos resultados aqui expressados e são ocasionados pela precisão de medida da régua, bem como na realização das medidas das molas. 16 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS SILVA, Angela Maria Moreira. Normas para apresentação dos trabalhos técnico-científicos da UFRR. Roraima: Ed. da UFRR, 2007. 108p. HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física 1: mecânica. Livros Técnicos e Científico. 17 8. ANEXOS
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