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Experimento 1: Movimento de queda dos corpos. Nomes: Thiago Ribas Moncinhatto NºUSP: 8556721, Verônica Cuencas Cardoso NºUSP: 8556811. e-mail: thiago.moncinhatto@usp.br, veronica.cardoso@usp.br Física Experimental 2 – 4300114 Resumo. Estudamos o movimento de queda livre de um objeto aerodinâmico para determinar o valor do módulo da aceleração da gravidade. Com esse dado foi possível encontrar o valor da viscosidade (η) do óleo LUBRAX MB1 da Petrobrás e estabelecer o comportamento laminar ou turbulento de esferas submersas nesse óleo com o número de Reynolds. Introdução Entender o movimento realizado por corpos na superfície do planeta Terra sempre foi um dos assuntos mais importantes na historia da Física. A busca por entendimento de como os corpos reagem e se comportam em relação a grande rocha esférica que nos abriga resultou em grandes avanços científicos, levando a compreensão da própria Física e do funcionamento do Universo. Os estudos do movimento de queda dos corpos começaram com o filosofo grego Aristóteles, em 300 a. C. , como sendo uma particularização do Movimento Uniformemente Variado (MUV). Ele dizia que se dois corpos de massas diferentes caíssem de uma mesma altura o objeto mais massivo atingira o solo primeiro. Essa afirmação perdurou durante 1900 anos ate que Galileu Galilei incorporou o método experimental e enfim, descobriu que a afirmação aristotélica não era verídica. Porém o grande salto foi dado por um inglês, sir Isaac Newton. Reza a lenda que quando uma maça caiu em sua cabeça, Newton começou a raciocinar sobre o porquê da queda da fruta. A partir de então formulou modelos para explicar a queda do objeto. Esses trabalhos ficaram conhecidos como a Lei da Gravitação Universal. A partir deste momento varias formulas matemáticas passaram a ser formuladas incluindo a força g terrestre. Entre elas esta as leis que relacionam o espaço percorrido por um corpo qualquer, a sua velocidade, a sua aceleração e tempo para a execução do trajeto: (1) (2) Onde ΔS é o deslocamento, ΔA e a variação da aceleração em um intervalo de tempo Δt a partir de uma variação de velocidade ΔV. Lembrando, porém que no caso estudado, a aceleração terá o valor do módulo da gravidade local, o que possibilitará então a obtenção de um valor aproximado da mesma já que, a rigor, o valor exato da aceleração da gravidade só pode ser obtido num experimento realizado no vácuo para que não haja ação da resistência do ar. Ainda assim, dependendo das propriedades do objeto em queda livre, essa resistência pode ser desprezada. Desprezados também deverão ser alguns fatores tais como a variação da aceleração, da altura e do movimento de rotação da Terra. De todas as forças do universo, a gravidade é aquela que se estuda há mais tempo e, paradoxalmente, a menos conhecida. Qualquer aluno que tenha estudado um pouco de física lembra-se da história de Galileu soltando bolas de chumbo, madeira e papel do alto da torre de Pisa, na Itália, na tentativa de entender como agia essa força estranha que atrai as coisas em direção ao centro da Terra. Bem antes, Aristóteles havia proposto que isso ocorria por nosso planeta ser o centro do universo, o lugar onde, pela própria natureza, as coisas deveriam estar. Quando surgiu o heliocentrismo, com Copérnico, o enfoque mudou e tornou-se necessária a revisão das leis sobre a queda dos corpos. Mais tarde, novas observações e teorias levaram à lei da gravitação universal formulada por Isaac Newton. Tanto a cinemática de Galileu quanto a mecânica de Newton contribuíram inquestionavelmente para o avanço no estudo da queda dos corpos em diferentes meios e condições físicas, exemplo disso é a facilidade de expressar o valor do módulo da aceleração da gravidade por meio de leis que envolvem o movimento vertical dos corpos, g pode ser escrito então da seguinte forma: (3) Onde dv/dt é a taxa de variação da velocidade em que um objeto cai verticalmente com o tempo deste movimento e g é a aceleração da gravidade. Mas apesar da gravidade inexorável reger o movimento dos corpos na superfície terrestre nossa atmosfera também tem importante influência no estudo desse fenômeno, pois sendo composta por gases e partículas diversas exerce certa resistência no movimento de queda dos corpos oriunda da viscosidade do meio gasoso, e qualquer objeto que se encontra em queda (exceto no vácuo) está sujeito a lei de Stokes que descreve a queda de objetos esféricos em fluidos viscosos: = -6πηrv (4) Onde é a força de fricção, r é o raio do objeto esférico, v é a velocidade da partícula e η a viscosidade do fluido. Essa lei é válida quando o regime de fluxo é laminar Re ≤ 15 (não turbulento) segundo o número de Reynolds, que é descrito pela seguinte igualdade: (5) Onde Re é o número de Reynolds, é a densidade do fluido, v é a velocidade do objeto no fluido, é o diâmetro do objeto e é a viscosidade do fluido. A lei de Stokes (2) descreve a força de atrito no movimento de uma esfera de raio r deslocando-se com uma velocidade baixa v em um meio infinito contendo um fluido de viscosidade , caso o movimento não ocorra em um meio infinito, a força de resistência precisa ser corrigida. Para uma esfera se deslocando longitudinalmente no centro de um cilindro de raio R, utilizamos a correção de Ladenburg. Neste caso, a força de resistência deve ser corrigida por um fator α, sendo então reescrita como sendo : (6) Onde α é dado por: ( ) ( ) (7) Com a aplicação da correção de Ladenburg, a relação entre a velocidade limite e o raio das esferas é dada por: ( ) ( ) (8) Onde é a velocidade limite de um corpo com fluxo laminar em um cilindro de raio R. 1. Objetivos Este experimento teve por objetivo obter o valor aproximado da aceleração da gravidade no laboratório, conhecendo esse valor verificar se é possível representar o movimento longitudinal de esferas de raio r em um tubo cilíndrico pela lei de Stokes, determinar a viscosidade do óleo LUBRAX MB1 da Petrobrás e, consequentemente, o valor crítico para o Número de Reynolds. 2. Descrição do Experimento 2.1 Materiais utilizados 1 elipsoide de revolução com anel de metal no centro; 1 haste de 2 metros com um eletroímã no topo; 2 fitas térmicas; 2 cronômetros; 1 tubo cilíndrico preenchido com óleo; Várias esferas de diversos diâmetros; 1 Régua; 1 Paquímetro; 1 Micrômetro. 2.2 Método Para determinar a aceleração da gravidade utilizamos uma haste de dois metros de altura onde se encontrava um eletroímã no topo, cujo objetivo era prender um elipsoide de revolução, até ser desligado por uma chave, deixando este se movimentar em queda livre, o acionamento contínuo desta chave provoca pulsos de alta tensão entre dois fios presos longitudinalmente na haste e, devido a um anel metálico em torno do elipsoide, ocorrem descargas elétricas entre os fios, originando faíscas que ficavam marcadas na fita térmica que é colocada de cima a baixo da haste e descreve a trajetória do elipsoide. Com as distâncias entre os pontos da fita e o tempo entre cada ponto conseguimos calcular o valor aproximado da gravidade no laboratório. Já para descobrir a viscosidade do óleo LUBRAX MB1 da Petrobrás o grupo recebeu um kit contendo esferas de tamanhos variados e um tubo com óleo, as esferas foram lançadas no tubo a partir do repouso e utilizando da escala milimétricado tubo e também de um cronômetro para obter o espaço e o tempo respectivamente, foi possível realizar o cálculo da velocidade limite, repetimos o experimento para 9 tipos de esfera, medimos a densidade do óleo com um densímetro e utilizando a fórmula (8) encontramos a viscosidade do óleo. Com os valores da aceleração da gravidade e da viscosidade do óleo em mãos calculamos o número de Reynolds para cada tipo de esfera e determinamos de o fluxo de cada uma era laminar ou turbulento. 3. Análise dos dados Para melhor compreensão subdividimos este tópico em três partes, a primeira refere-se a análise do valor encontrado para a gravidade no laboratório, a segunda ao cálculo da viscosidade do óleo e a terceira a estimativa do número de Reynolds para cada esfera. 3.1 Valor da aceleração da gravidade no laboratório As tabelas abaixo representam os valores de velocidade para cada espaço entre os pontos da fita e sua respectiva incerteza, tais valores foram calculados por meio da formula (1): Δt (s) Δy (cm) Velocidade (cm/s) σV (cm/s) Δt (s) Δy (cm) Velocidade (cm/s) σV (cm/s) 0,0417 0,60 36,00 3,00 0,0417 0,65 39,00 3,00 0,0750 1,12 67,20 3,00 0,0750 1,12 67,20 3,00 0,1083 1,70 102,00 3,00 0,1083 1,70 102,00 3,00 0,1417 2,20 132,00 3,00 0,1417 2,20 132,00 3,00 0,1750 2,80 168,00 3,00 0,1750 2,50 164,00 3,00 0,2083 3,30 198,00 3,00 0,2083 3,35 201,00 3,00 0,2417 3,85 231,00 3,00 0,2417 3,85 231,00 3,00 0,2750 4,40 264,00 3,00 0,2750 4,40 264,00 3,00 0,3083 5,00 300,00 3,00 0,3083 4,95 297,00 3,00 0,3417 5,55 333,00 3,00 0,3417 5,50 330,00 3,00 0,3750 6,10 366,00 3,00 0,3750 6,00 360,00 3,00 0,4083 6,55 393,00 3,00 0,4083 6,55 393,00 3,00 0,4417 7,20 432,00 3,00 0,4417 7,15 429,00 3,00 0,4750 7,70 462,00 3,00 0,4750 7,65 459,00 3,00 0,5083 8,25 495,00 3,00 0,5083 8,30 498,00 3,00 0,5417 8,80 528,00 3,00 0,5417 8,75 525,00 3,00 0,5750 9,30 558,00 3,00 0,5750 9,30 558,00 3,00 Tabela 1. Valores obtidos pelo aluno Thiago. Tabela 2. Valores obtidos pela aluna Verônica. A incerteza associada à velocidade foi calculada com a fórmula de propagação de incertezas da equação (1). Gráfico 1. Valor da aceleração obtido a partir da tabela 1 (Thiago). Gráfico 2. Valor da aceleração obtido a partir da tabela 2 (Verônica). Gráfico 1: (9,70 ± 0,02) m/s² Gráfico 2: (9,66 ± 0,02) m/s² Calculando a média dos dois valores acima obtemos: (9) ( ) A incerteza da média foi calculada com a fórmula de propagação de incertezas da equação (9). 3.1.1 TESTE Z entre o valor de gravidade médio e o valor obtido pelo IAG Para realizar a comparação entre o valor e o valor obtido pelo IAG - = (9,7864 ± 0,0005) m/s² utilizaremos o TESTE-Z. Como sugerido em aula, adotaremos α = 0,3% como nível de significância do teste. Partindo da hipótese de que o valor esperado da gravidade média ( ), encontrada pelos integrantes do grupo, seja igual ao valor esperado da gravidade medida pelo iag ( ): = Para um nível de significância 3σ, a hipótese será aceita se: | | Sendo Z calculado a partir da seguinte forma: (10) Para um (valor obtido através da tabela de probabilidades para um nível de significância α = 0,003). Para comparar os resultados, usaremos as seguintes equações: g = - = √ Então, temos que: ( ) = -7,59516 :. | | 7,59516 Verificamos então que a hipótese não foi aceita, pois obtivemos um resultado ruim, fora do intervalo de 98% de confiança. 3.2 Valor da viscosidade do óleo LUBRAX MB1 da Petrobrás As condições iniciais do experimento estão representadas na tabela abaixo: dx =(500,0 ± 0,5) mm Temperatura no lab. no inicio= 23,0 °C Densidade real do óleo = 886 mg/cm³ Temperatura no lab. no final= 24,4 °C Densidade do aço = 7,85 ± 0,02 g/cm³ Tabela 3. Condições iniciais do experimento. 3.2.1 Diâmetro e raio Para o cálculo da viscosidade foi preciso medir várias vezes o valor do diâmetro de cada tipo de esfera, somando ao todo, nove tamanhos. Feito isso, obtivemos os resultados, dos quais calculamos a média das medições de cada diâmetro. Abaixo, os resultados obtidos: Diâmetros das esferas (mm) Média do Diâmetro (mm) Incerteza do Diâmetro ( ) Medição 1º 2º 3º 4º Esfera 1 1,130 1,130 1,120 1,120 1,125 0,006 Esfera 2 1,500 1,540 1,530 1,510 1,520 0,010 Esfera 3 2,000 2,100 2,000 2,000 2,025 0,025 Esfera 4 2,500 2,500 2,500 2,500 2,500 0,050 Esfera 5 3,100 3,100 3,100 3,100 3,100 0,050 Esfera 6 4,000 4,000 4,000 4,000 4,000 0,050 Esfera 7 4,700 4,800 4,800 4,700 4,750 0,058 Esfera 8 5,500 5,500 5,500 5,500 5,500 0,050 Esfera 9 7,500 7,500 7,500 7,500 7,500 0,050 Tabela 4. Diâmetro das esferas e suas respectivas incertezas. Obtivemos a incerteza do diâmetro a partir da propagação de incerteza. Utilizamos então a incerteza estatística (σa), sendo esta o desvio padrão da média, e a incerteza instrumental (σb), sendo esta a incerteza do instrumento utilizado. Como medimos as esferas 1, 2, e 3 com o micrometro, a incerteza instrumental para tais foi 0,005mm. As restante, foram medidas com o paquímetro, e então, a incerteza instrumental utilizada foi 0,05mm. Para os cálculos fizemos uso das fórmulas: (11) Analogamente obtivemos a incerteza do diâmetro do tubo. Os resultados estão na tabela 5: Diâmetro do tubo (mm) Incerteza do diâmetro do tubo (σD) (mm) Medições 1º 2º 3º 4º 5º 6º Média (mm) 50,00 50,04 50,03 50,05 50,02 50,02 50,03 0,05 Tabela 5. Diâmetro do tubo e sua respectiva incerteza. Na tabela 6 está listado o valor do raio de cada esfera e sua incerteza, além do valor d raio ao quadrado que será utilizado adiante parra o cálculo da viscosidade: Raio (mm) Raio² (mm²) Incerteza do raio² (mm²) Esfera 1 0,563 0,316 0,003 Esfera 2 0,760 0,578 0,005 Esfera 3 1,013 1,025 0,013 Esfera 4 1,250 1,563 0,025 Esfera 5 1,550 2,403 0,025 Esfera 6 2,000 4,000 0,025 Esfera 7 2,375 5,641 0,029 Esfera 8 2,750 7,563 0,025 Esfera 9 3,750 14,063 0,025 Tabela 6. Raio e raio ao quadrado de cada esfera. 3.2.2 Tempo e velocidade O tempo de queda de cada esfera foi medido com um cronômetro. A incerteza do tempo foi obtida utilizando a expressão (11), considerando a incerteza instrumental nula. Os resultados estão na tabela abaixo: Tempo de queda (s) Média do tempo (s) Incerteza do tempo (σΔt) Medição 1º 2º 3º 4º Esfera 1 31,81 32,38 33,72 34,50 33,10 0,61 Esfera 2 17,31 18,30 17,25 17,34 17,55 0,25 Esfera 3 10,16 10,06 10,08 10,15 10,11 0,02 Esfera 4 6,94 7,03 7,03 6,97 6,99 0,02 Esfera 5 4,40 4,46 4,44 4,37 4,42 0,02 Esfera 6 3,06 3,18 3,31 3,03 3,15 0,06 Esfera 7 2,22 2,22 2,78 2,38 2,40 0,13 Esfera 8 1,90 1,88 2,00 1,84 1,91 0,03 Esfera 9 1,25 1,34 1,25 1,29 1,28 0,02 Tabela 7. Tempo de queda de cada esfera. A velocidade limite de queda de cada esfera e foi calculada a partir da distância percorrida (ΔS = (500,0 ± 0,5) mm) em cada intervalo de tempo (Δt), a partir da equação (1). A incerteza da velocidade foi obtida através da fórmula de propagação de incertezas, os resultados obtidos estão organizados na tabela 6 abaixo: Velocidade limite (mm/s) Média da velocidadelimite (mm/s) Incerteza da velocidade limite (σVl) (mm/s) Medição 1º 2º 3º 4º Esfera 1 15,72 15,44 14,83 14,49 15,12 0,02 Esfera 2 28,89 27,32 28,99 28,84 28,51 0,03 Esfera 3 49,21 49,70 49,60 49,26 49,44 0,05 Esfera 4 72,05 71,12 71,12 71,74 71,51 0,07 Esfera 5 113,64 112,11 112,61 114,42 113,19 0,11 Esfera 6 163,40 157,23 151,06 165,02 159,18 0,16 Esfera 7 225,23 225,23 179,86 210,08 210,10 0,21 Esfera 8 263,16 265,96 250,00 271,74 262,71 0,26 Esfera 9 400,00 373,13 400,00 387,60 390,18 0,39 Tabela 8. Velocidade limite de queda. Com os dados das tabelas 6 e 8 plotamos um gráfico de Vl x r², onde Vl é a velocidade limite e r² é o raio de cada esfera ao quadrado: Gráfico 3. Velocidade limite em função do raio ao quadrado de cada esfera. Obtivemos o valor do coeficiente angular a = (336,0 ± 0,5) /cm.s. α=33,60/mm.s σα=0,05 /mm.s X² = 17182.5 Podemos avaliar o ajuste da reta pelo valor absurdo de qui quadrado e verificar que o ajuste tem uma representação muito ruim da reta. O ajuste ruim é notável pois a reta não aproxima bem todos os pontos. Concluímos então que, se dividirmos o gráfico em análise em dois, os cinco primeiros pontos correspondem bem a uma reta, enquanto os outros quatro parecem corresponder à uma parábola. Podemos atribuir a esse comportamento, o movimento que os corpos realizam na descida. Aqueles que formam uma reta sofrem um escoamento laminar e os que seguem uma parábola estão num regime de escoamento turbulento. 3.2.3 Cálculo da Viscosidade A viscosidade do óleo pôde ser calculada a partir do coeficiente linear m do gráfico Vl x r² e da fórmula (8), sem levar em conta a correção de Ladenburg, a incerteza associada a η foi calculada a partir da fórmula de propagação de incertezas. Obtivemos, então, η em Poise: ( ) Substituindo os valores obtivemos η =(4,45 ± 0,02) P [P] = * + Para a conversão da viscosidade usou-se a expressão: ( ) ( ) ( ) Onde ρf é a densidade do fluído. Viscosidade (η) Incerteza da viscosidade (ση) P 4,450 0,020 St 5,023 0,023 c*St 502 2 Tabela 9. Conversão do valor de viscosidade. Para o fato de o escoamento não ser laminar precisamos aplicar o fator de correção α (7) na Lei de Stokes (4). Dessa maneira criou-se um novo gráfico a fim de determinar uma diferente viscosidade experimental. Verificou-se sua validade teórica pelo gráfico: Velocidade limite corrigida x tempo. Velocidade limite corrigida (mm/s) Incerteza da velocidade limite corrigida (mm/s) Alfa Incerteza de alfa 15,50 0,045 1,026 0,003 29,50 0,127 1,035 0,004 51,79 0,474 1,047 0,010 75,75 0,194 1,059 0,003 121,63 0,313 1,075 0,003 174,57 0,457 1,098 0,003 233,02 2,910 1,118 0,014 298,94 0,795 1,139 0,003 466,70 1,265 1,197 0,003 Tabela 10. Correção do valor da velocidade limite por um fator α. Com os dados da tabela 10 acima elaboramos um novo gráfico de Vl x r², mas agora com Vl acrescida da correção de Ladenburg: Gráfico 4. Correção de Vl com o fator de ladenburg. Sabendo que: ( ) Substituindo os valores obtivemos η =(3,85± 0,07) P = (4,34 ± 0,08) St. Obtido esse novo valor para a viscosidade pôde-se chegar a um número de Reynolds para cada esfera e determinar assim quais sofreram um escoamento laminar e quais sofreram um escoamento turbulento. Utilizando a equação (5), organizamos em uma tabela os valores do número de Reynolds para cada esfera: Nº de Reynolds Incerteza do Nº de Reynolds Esfera 1 0,402 0,012 Esfera 2 1,032 0,012 Esfera 3 2,415 0,012 Esfera 4 4,358 0,012 Esfera 5 8,677 0,012 Esfera 6 16,070 0,012 Esfera 7 25,472 0,012 Esfera 8 37,837 0,012 Esfera 9 171,467 0,001 Tabela 11. Número de Reynolds Para cada esfera. Como esperado, de acordo com o gráfico 3, as cinco primeiras esferas se movem no óleo com fluxo laminar (Re ≤ 15), já as demais esferas têm regime de fluxo turbulento (Re > 15). 4. Discussão dos Resultados O experimento 1, teve como principal objetivo o estudo da queda dos corpos em um meio viscoso e buscou esclarecer a que ponto essa viscosidade interfere no movimento, primeiramente com o exemplo do elipsoide de revolução, onde o empuxo realizado pelo ar sobre o objeto, influencia, ainda que sutilmente, na queda do corpo e depois com o exemplo de esferas caindo em óleo cuja viscosidade é consideravelmente maior que a da atmosfera. Após a tomada e o tratamento dos dados, verificamos, por meio de leis empíricas, as relações entre a resistência de um meio e as dimensões de um corpo em queda. A gravidade encontrada pelo grupo, ( ) mostrou-se inferior, em seu valor, ao da gravidade estabelecida pelo IAG, esse fato deve-se a diferença e a precisão dos instrumentos utilizados para realizar as medidas, bem como as condições experimentais na aquisição dos dados, mas sobretudo, obtivemos êxitos consideráveis no valor final da medida. Assim como na aquisição da aceleração da gravidade, a segunda parte do experimento também foi bastante proveitosa no que se refere a tratamento de dados, pois exigiu do grupo grande aprofundamento do assunto até chegarmos ao valor final de viscosidade do óleo LUBRAX MB1 da Petrobrás, η =(3,85± 0,07) P, e posteriormente, com os valores da aceleração da gravidade e da viscosidade do óleo em mãos foi possível calcular o Número de Reynolds, e por fim compreender o regime de fluxo que um objeto está sujeito em determinado meio. Referências http://revistaplaneta.terra.com.br/secao/ciencia/um-misterio-chamado-forca-da- gravidade http://webroot.if.usp.br/TGraph/index.php?action=abrir&file=Velocidade+x+Tempo +%28Thiago%29&dir=th%2Fthiagoiag%2FRelat%C3%B3rio+1 http://webroot.if.usp.br/TGraph/index.php?action=abrir&file=Velocidade+x+Tempo +%28Ver%C3%B4nica%29&dir=th%2Fthiagoiag%2FRelat%C3%B3rio+1 “Fundamentos da Teoria de Erros”, J. H. Vuolo; 2a Edição, Editora Blücher.
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