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1 LEIS DE NEWTON Juan Pablo Pereira Lima – Matrícula 2018003285 Ágape Guilherme Nascimento da Fonseca – Matrícula 2018012168 João Paulo Silva Rodrigues – Matrícula 2016016014 Túlio Passos Lopes – Matrícula 30424 Resumo. As Leis de Newton são a base da Física e do estudo da Dinâmica envolvida nos sistemas, a cerca disso a prática em laboratório visou prová-las experimentalmente ao utilizar o Princípio Fundamental da Dinâmica. Nele ainda se aplica a análise gráfica das tabelas com os dados obtidos, adjunto de seus coeficientes, e também aos reais valores que deveriam ser obtidos em relação aos experimentais com suas justificativas dos erros inseridos, apresentando uma conclusão a cerca do experimento em questão. Palavras-chave: Dinâmica, Cinemática, Leis de Newton, Física. 1. INTRODUÇÃO Em primeira instância, a Cinemática preocupava-se essencialmente em descrever os movimentos sem a causa dos mesmos. Porém quando Newton a postula suas 3 leis, ele aplica um conceito novo denominado força na qual seria responsável por provocar uma aceleração nos corpos, na qual descreveria a maneira e o porquê da causa desses movimentos. Surgindo a Mecânica Newtoniana, com suas três leis fundamentais do movimento. A 1ª Lei ao enunciar em que um corpo caso sua força resultante seja igual a 0, isso corresponderia que a velocidade do corpo não poderia se alterar. A 2ª Lei ou o Princípio Fundamental da Dinâmica correlaciona a massa do corpo com a aceleração envolvida, e na qual a força resultante sobre o corpo seria o produto entre as duas. Figura 1 – Relação enunciada na 2ª Lei de Newton, a força resultante sobre um corpo com massa é responsável por sua aceleração Fonte: GOUVEIA. A 3ª Lei enuncia que quando a interação entre dois corpos distintos, a força provocada de um sobre o outro é sempre igual em módulo, direção porém com sentido oposto à força exercida sobre ele, formando um par de forças (ação-reação). Figura 2 – Segundo a 3ª Lei de Newton, toda ação sobre um corpo existe uma reação de mesmo módulo e direção porém com sentido oposto. Fonte: Descomplica Neste relatório, serão tratadas as questões de prova-las experimentalmente, na qual foram realizados experimentos no âmbito de correlacionar a força resultante com a massa envolvida no processo, através dos métodos que serão apresentados e depois as conclusões que foram tomadas. 2 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Materiais - Trilho de ar metálico de 2 metros de comprimento(Figura 3). Figura 3 – Trilho de ar metálico de 2 metros de comprimento. Fonte: Laboratório(LDF7). - Compressor de ar Phywe(Figura 4). Figura 4 – Compressor de ar Phywe. Fonte: Laboratório(LDF7). - Cronômetro multifuncional digital (Figura 5). Figura 5 – Cronômetro Multifuncional digital. Fonte: Laboratório(LDF7). Modelo: EQ228A (Digital Timer) Marca: Cidepe Precisão: 50 µs Fundo de escala: 0,00000 – 99,99995s Erro: ± 0,00003s - 5 Sensores ópticos de passagem com suportes(Figura 6); Figura 6 – Sensores ópticos de passagem com suportes. Fonte: Laboratório(LDF7). - 8 massas de 50g. - Massas pendulares, uma de 50g, duas de 100g e uma de 5g. - Balança eletrônica 3 * Precisão: 0,1g * Erro: ± 0,05g 2.2 Modelo Metodológico Primeiramente, posicionou-se os sensores ópticos equidistantes 20cm entre si, contando da extremidade oposta à roldana, e configurou-se o cronômetro digital de maneira adequada para o número de sensores. Deve-se atentar às distâncias dos sensores, haja visto que pode afetar os tempos definidos pelo cronômetro. Foi necessário também, nivelar o trilho metálico, a fim de não sofrer influências sobre o tempo de deslocamento. Após coletar os tempos nesses 5 sensores, os mesmos foram reposicionados a fim de coletar os últimos cinco pontos do trilho metálico. Obtendo os tempos na qual o carrinho passou por cada sensor e com isso podemos obter a velocidade do mesmo também através da Equação 1, com os pontos experimentais. t S v (1) E para propagar o erro da medida primária nesse caso usou-se a Fórmula de Propagação de Erros, a partir da Equação 2: 𝜎𝑦 = √( 𝜕𝑦 𝜕𝑥 2 ) (𝜎𝑥)2 + ( 𝜕𝑦 𝜕𝑧 2 )(𝜎𝑧)2 (2) Após esses feitos, os testes foram realizados colocando os pesos no carrinho, mas antes todos foram pesados usando a balança analítica, para averiguar se os pesos estavam com suas medidas corretas. Após essa averiguação, iniciou- se com os testes variando os pesos que acompanhariam o carrinho, esses proporcionavam uma tensão ao fio na qual estavam presos, que o proporcionavam aceleração. Durante esses processos o compressor de ar estava ligado a fim de reduzir o atrito entre o carrinho e a pista metálica. No primeiro teste, foi utilizado o carrinho sem carga nenhuma e com o porta-massas como contrapeso e com uma carga de 50g (totalizando 59,8g). Os dados estão dispostos na Tabela 1. Já no segundo teste, manteve-se a mesma carga de peso total sobre o porta-massas, mas no carrinho fora adicionado 8 pesos de 50g cada (totalizando 693g). Seus dados estão dispostos na Tabela 3. A fim de justificar experimentalmente a proposta do laboratório, a aceleração do carrinho, usou-se a seguinte Equação 3 enunciada por Isaac Newton, adaptada para no caso da experiência a aceleração levada em conta fora a aceleração da gravidade que é conhecida. �⃗� = 𝑚. 𝑔 (3) Sendo adaptada da 2ª Lei de Newton, ou conhecido como Princípio Fundamental da Dinâmica, na Equação 4: 𝐹 𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 𝑚. 𝑎 (4) Aonde o a Força Peso da Equação 3, é exercida pelo porta-massas sobre o carrinho, m é a massa do porta-massas e g a aceleração da gravidade. Temos através das medidas obtidas em laboratório, a massa do porta-massas e a aceleração na superfície terrestre, assim encontramos a Força Peso. Após descoberta a mesma, utiliza-se a Equação 4, a fim de descobrir qual a aceleração envolvida no carrinho, em que F é a Força Peso encontrada na Equação 3 e m é a massa do carrinho, assim descobrindo a aceleração envolvida no processo. Rearranjando a Equação 4, isolando a aceleração encontra-se Equação 5: 𝑎 = 𝐹 𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑚 (5) Os testes foram realizados, porem erros nas medidas são inerentes, haja visto que possui vários fatores do ambiente em que pode afetar o experimento, tais como resistência do ar com o carrinho, imprecisão dos instrumentos de medidas e erro de paralaxe. 4 2.3 Obtenção dos Dados Através do primeiro experimento obteve-se os seguintes resultados apresentados na Tabela 1 a seguir, em que o carrinho estava sem massa sobre o mesmo e apenas o porta- massas com uma massa constante adjunto de um peso de 50g, mostrando suas posições com suas respectivas medidas de tempo. Já na Tabela 2 estão expostos os tempos mediano com sua respectiva velocidade média com o erro vindo da utilização da Equação 2. Tabela 1 – Tempos nos respectivos deslocamentos. Posição (s ± 0,3)cm Tempo (t± 0,00002)cm 0,0 0,00000 20,0 0,27520 40,0 0,46040 60,0 0,59980 80,0 0,73780 100,0 0,86060 120,0 0,98650 140,0 1,10860 160,0 1,23150 Fonte: Laboratório de Física – UNIFEI Tabela 2 – Tempo mediano e velocidade média. Tempo mediano (t ± 0,00001)(s) Velocidade média (cm/s) 0,13760 74±2 0,36780 105±2 0,53010 154±3 0,66880 154±3 0,79920 154±3 0,92360 167±3 1,04760 167±3 1,17050 154±3 Fonte: Laboratório de Física – UNIFEI As medidas presentes na Tabela 1, são medidas consideradas primárias, haja visto que foram adquiridas diretamente de instrumentos de medição. Já as presentes na Tabela 2 foram submetidas de maneira indireta, logo são consideradas secundárias. As mesmas foram submetidas à Equação 1 e o erro através da Equação 2. De maneira visual, temos as forças presentes nesse sistema, formado pelo carrinho e o porta-massas apresentado na seguinte Figura 7: Figura 7 – Relação entra a s forças presentes no sistema, carrinho e porta-massas. Fonte: Autoria própria. De forma que: N: é a força normal. P1: é a força peso do carrinho + lastro. T1: é a tração que atua no carrinho. T2: é a tração que atua no porta-massas. P2: é a força peso do porta-massas + massa adicionada. Analisando o sistema temos que: 𝐹 𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = �⃗� 1 E analisando o conjunto do porta-massas: �⃗� 2 = �⃗� 2 E assim como: 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 𝑚1. 𝑎 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 E também: �⃗� 2 = 𝑚2 . 𝑎 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 Tendo base na qual: 𝑚1 = massa do carrinho + massa do lastro. 𝑚2 = massa do porta-massas + massa que fora adicionada. 5 𝑔 = 9,78520 𝑚/𝑠2. Assim, encontra-se a aceleração envolvida em: 𝑎 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 = 𝑚2 . 𝑔 𝑚1 = 1,95 𝑚/𝑠2 Já na segunda parte do experimento, variou- se a massa do porta-massas alterando as massas que iriam acompanhadas do mesmo, primeir,o com nada, depois sucessivamente com, 5g, 10g, 15g, 20g, e estão dispostos os seguintes ∆𝑠 e ∆𝑡 na seguinte Tabela 3. Tabela 3 – Relação dos ∆𝑠 e ∆𝑡. Fonte: Laboratório de Física – UNIFEI E a partir da mesma tabela acima foram construídas as Tabelas 4, 5, 6, 7, 8. Relacionando o tempo mediano e suas respectivas velocidades médias no trecho. Tabela 4 – Sem peso adicional. Tempo mediano (t ± 0,00002) (s) Velocidade média (cm/s) 0,36170 21±1 0,97850 29±2 1,44820 35±2 1,84080 42±2 Fonte: Laboratório de Física – UNIFEI Tabela 5 – Massa de 5 g. Tempo mediano (t ± 0,00002) (s) Velocidade média (cm/s) 0,29570 26±1 0,80000 36±2 1,18420 43±2 1,50720 51±3 Fonte: Laboratório de Física – UNIFEI Tabela 6 – Massa de 10 g. Tempo mediano (t ± 0,00002) (s) Velocidade média (cm/s) 0,25530 29±1 0,69110 42±2 1,02410 49±2 1,30480 58±3 Fonte: Laboratório de Física – UNIFEI Tabela 7 – Massa de 15 g. Tempo mediano (t ± 0,00002) (s) Velocidade média (cm/s) 0,23690 32±1 0,63920 45±2 0,94410 58±3 1,20040 64±3 Fonte: Laboratório de Física – UNIFEI Tabela 8 – Massa de 20 g. Tempo mediano (t ± 0,00002) (s) Velocidade média (cm/s) 0,20930 36±1 0,56590 51±2 0,83640 61±3 1,06250 73±3 Fonte: Laboratório de Física – UNIFEI Através dos estudos gráficos das tabelas acimas utilizando o SciDavis e coletando o coeficiente angular dos gráficos encontramos a aceleração para cada massa adicionada ao porta-massas como demonstrado na Tabela 9. Tabela 9 – Relação entre a Força aplicada e a aceleração promovida. Força externa(N) Aceleração(cm/𝑠2) 4±1 14 ± 1 6 ± 1 20 ± 1 8±1 28 ± 2 10 ± 2 34 ± 3 12±2 42 ± 3 2.4 Análise dos Resultados Os dados obtidos nas respectivas Tabelas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8 foram utilizados para gerar os seguintes gráficos, demonstrando de 6 uma forma visual o comportamento da velocidade no decorrer do tempo. Figura 8 – Relação entre os pontos experimentais de posição de acordo com o tempo, de acordo com a Tabela 1. Fonte: Laboratório(LDF7). Na Figura 8 acima, nota-se o comportamento não linear dos pontos experimentais, e sim de uma maneira polinomial de 2º grau segundo a Equação 6: 𝑦 = 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐 (6) Sendo esses coeficientes conhecidos através do ajuste polinomial da função. 𝑎 = 47,7 ± 5,4 𝑏 = 74,8 ± 7,0 𝑐 = −2,0 ± 2,0 𝑅2 = 0,9984 Figura 9 – Relação entre os pontos experimentais da velocidade média de acordo com o tempo mediano, de acordo com a Tabela 2. Fonte: Laboratório(LDF7). Através da 1ª Lei de Newton podemos notar que o corpo saiu do repouso e pela aceleração envolvida no processo foi responsável por causar a mudança da velocidade no processo, haja visto que o porta-massas com sua força peso foi responsável por promover um tração em seu fio que atuou como um par de forças na força tração que ligava o carrinho ao barbante, promovendo sua aceleração. Nota-se através da Figura 9 acima, uma certa proporcionalidade nos pontos experimentais, realizando uma regressão linear a fim de ajustar uma função aos pontos, seguindo a Equação 7: 𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏 (7) Nesse sentido, os coeficientes encontrados nessa regressão linear foram: 𝑎 = 81 ± 21 𝑏 = 84 ± 16 𝑅2 = 0,7142 Figura 10 – Relação entre os pontos experimentais da velocidade média de acordo com o tempo mediano, de acordo com a Tabela 4. Fonte: Laboratório(LDF7). Nota-se uma linearidade nos pontos, realizando uma regressão linear segundo a Equação 7, com coeficientes: 𝑎 = 14 ± 1 𝑏 = 15 ± 1 𝑅2 = 0,9955 7 Figura 11 – Relação entre os pontos experimentais da velocidade média de acordo com o tempo mediano, de acordo com a Tabela 5. Fonte: Laboratório(LDF7). Nota-se uma linearidade nos pontos, realizando uma regressão linear segundo a Equação 7, com coeficientes: 𝑎 = 20 ± 1 𝑏 = 20 ± 1 𝑅2 = 0,9853 Figura 12 – Relação entre os pontos experimentais da velocidade média de acordo com o tempo mediano, de acordo com a Tabela 6. Fonte: Laboratório(LDF7). Nota-se uma linearidade nos pontos, realizando uma regressão linear segundo a Equação 7, com coeficientes: 𝑎 = 28 ± 2 𝑏 = 22 ± 1 𝑅2 = 0,9895 Figura 13 – Relação entre os pontos experimentais da velocidade média de acordo com o tempo mediano, de acordo com a Tabela 7. Fonte: Laboratório(LDF7). Nota-se uma linearidade nos pontos, realizando uma regressão linear segundo a Equação 7, com coeficientes: 𝑎 = 34 ± 3 𝑏 = 24 ± 1 𝑅2 = 0,9958 Figura 14 – Relação entre os pontos experimentais da velocidade média de acordo com o tempo mediano, de acordo com a Tabela 8. Fonte: Laboratório(LDF7). Nota-se uma linearidade nos pontos, realizando uma regressão linear segundo a Equação 7, com coeficientes: 𝑎 = 42 ± 3 𝑏 = 27 ± 1 𝑅2 = 0,9962 8 Figura 15 – Relação entre os pontos experimentais da aceleração envolvida de acordo com a Força externa aplicada, de acordo com a Tabela 9. Fonte: Laboratório(LDF7). Com coeficientes: 𝑎 = 3,5 ±0,1 𝑏 = −0,4 ± 0,9 𝑅2 = 0,9975 3. DISCUSSÃO DO MÉTODO E DOS RESULTADOS 3.1 Porta-massas com massa constante Através da análise da Figura 8, nota-se que se trata de uma parábola com concavidade para cima (positiva), entre seus pontos experimentais, há um polinômio de 2º grau que ajusta os mesmo. Em relação aos seus coeficientes, do ponto de vista da Física, pode-se relacionar com a Equação 8, que se trata de um MRUV. 𝑆 = 𝑆𝑜 + 𝑉𝑜𝑡 + 1 2 𝑎. 𝑡2 (8) Correlacionado com os coeficientes da Figura 8, tem se que: 𝑆 = −2,0 + 74,8𝑡 + 1 2 47,7. 𝑡2 Multiplicando o fator 𝑎 da Equação acima por dois, encontra-se a 𝑎𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙: 𝑎𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = 95,4 ± 5,4 cm/𝑠 2 Em relação à Figura 9, a mesma é uma reta na qual possui uma linearidade envolvida entre os pontos, do ponto de vista da Física, a mesma pode ser relaciona a Equação 9, que se trata da equação horária da velocidade em um MRUV. 𝑉 = 𝑉𝑜 + 𝑎𝑡 (9) Correlacionando com os coeficientes presentes na Figura 9, tem se que: 𝑉𝑥 = 84 + 81. 𝑡 Em que 𝐵 = 𝑣𝑜𝑥 e 𝑎 = 𝑎𝑚é𝑑𝑖𝑎 no trecho do experimento. Assim tem-se que a Equação da velocidade do carrinho é definida por: 𝑉𝑥 = 84 + 81𝑡 O carrinho desenvolve uma aceleração de 𝑎𝑒𝑥𝑝 = 81 ± 21 cm/𝑠 2 Nota-se uma diferença entre as medidas obtidas entre as acelerações experimentais do carrinho, isso se deve à erros no momento de realizar as leituras de dados e manipulações de fórmulas, haja visto que a aceleração experimental através do tempo mediano fora realizado manualmente, ao contrário que a primeira foram dados primários adquiridos diretamente do cronômetro digital. 3.2 Variando a massa do porta-massas De maneira semelhante à análise da Figura 9, a Figura 10, quando o porta-massas não possui massa adicional, se trata de uma reta com uma linearidade envolvida, no ponto de vista da Física, a mesma pode ser relacionada a Equação 9, substituindo os valores encontramos a equação horária do carrinho em um MRUV. 𝑉𝑥 = 15 + 14. 𝑡 9 Logo, quando não se possui nenhuma massa adicional sobre o porta-massas, o carrinho desenvolve: 𝑎𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = 14 ± 1 cm/𝑠 2 Calculando a força resultante que atua no carrinho: 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 4,10 ± 1 𝑁 Quando o porta-massas possui uma massa adicional de 5g sobre o mesmo, conforme na Figura 11, substituindo na Equação 9, encontramos a equação horária da velocidade do carrinho em um MRUV. 𝑉𝑥 = 20 + 20. 𝑡 Logo, quando se possui uma massa adicional de 5g sobre o porta-massas, o carrinho desenvolve: 𝑎𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = 20 ± 1 cm/𝑠 2 Calculando a força resultante que atua no carrinho: 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 5,86 ± 1 𝑁 Quando o porta-massas possui uma massa adicional de 10g sobre o mesmo, conforme na Figura 12, substituindo na Equação 9, encontramos a equação horária da velocidade do carrinho em um MRUV. 𝑉𝑥 = 22 + 28. 𝑡 Logo, quando se possui uma massa adicional de 10g sobre o porta-massas, o carrinho desenvolve: 𝑎𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = 28 ± 2 cm/𝑠 2 Calculando a força resultante que atua no carrinho: 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 8,20 ± 1 𝑁 Quando o porta-massas possui uma massa adicional de 15g sobre o mesmo, conforme na Figura 13, substituindo na Equação 9, encontramos a equação horária da velocidade do carrinho em um MRUV. 𝑉𝑥 = 24 + 34. 𝑡 Logo, quando se possui uma massa adicional de 15g sobre o porta-massas, o carrinho desenvolve: 𝑎𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = 34 ± 3 cm/𝑠 2 Calculando a força resultante que atua no carrinho: 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 9,96 ± 2 𝑁 Quando porta-massas possui uma massa adicional de 20g sobre o mesmo, conforme na Figura 14, substituindo na Equação 9, encontramos a equação horária da velocidade do carrinho em um MRUV. 𝑉𝑥 = 27 + 42. 𝑡 Logo, quando se possui uma massa adicional de 20g sobre o porta-massas, o carrinho desenvolve: 𝑎𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 = 42 ± 3 cm/𝑠 2 Calculando a força resultante que atua no carrinho: 𝐹𝑟𝑒𝑠𝑢𝑙𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 = 12,30 ± 2 𝑁 Em suma seguindo o Princípio Fundamental da Dinâmica retratado na Equação 4, nota-se a proporcionalidade entre a força exercida externamente com a aceleração desenvolvida pelo carrinho, o que se justifica através da Figura 15, em um gráfico com regressão linear correlacionando os pontos experimentais com a força e a aceleração envolvidas. 10 4. CONCLUSÕES Logo através desses experimentos, conseguimos ter uma visão mais ampla e aplicada na prática das Leis de Newton, haja visto que o mesmo visava comprovar experimentalmente elas. Assim foi aplicado os dados no próprio Princípio Fundamental da Dinâmica, Equação 4, que nesse contexto utilizamos: 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑡𝑟𝑜 = 𝑚𝑐𝑎𝑟𝑟𝑖𝑛ℎ𝑜. 𝑎𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 Porém todo sistema de experimento, possui erros associados, como por exemplo a diferença entre a aceleração obtida diretamente da derivação dos pontos obtidos pelo cronômetro digital e o obtido realizando medidas secundárias. Fatos como a leitura imprecisa dos instrumentos de medidas ou mesmo de erros sistemáticos influencia o fundamento do experimento de comprovar a teoria. 5. REFERÊNCIAS HALLIDAY, D. Fundamentos de Física: Mecânica, vol 1. 7 ed. LTC, 2006.
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