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FÍSICA GERAL E EXPERIMENTAL II- GCET009P EXPERIMENTO 01: MOVIMENTO HARMÔNICO SIMPLES - MHS (Experimento realizado no dia 07/11/2018) Cruz das Almas - BA 21 de novembro de 2018 SUMÁRIO 1. OBJETIVOS 2 2. PROBLEMA FÍSICO 3 3. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO 3 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4 4.1. MATERIAIS UTILIZADOS 4 4.2. SISTEMA MASSA-MOLA 5 4.3. PÊNDULO SIMPLES 5 4.4. PÊNDULO FÍSICO 6 5. DADOS EXPERIMENTAIS 7 5.1 SISTEMA MASSA-MOLA 7 5.2 PÊNDULO SIMPLES 8 5.3. PÊNDULO FÍSICO 11 6. ANÁLISE DE DADOS 12 6.1 SISTEMA MASSA-MOLA 12 6.2 PÊNDULO SIMPLES 13 6.3. PÊNDULO FÍSICO 13 7. CONCLUSÃO 14 8. BIBLIOGRAFIA 14 9. APÊNDICES 15 1. OBJETIVOS 1.Reconhecer o Movimento Harmônico Simples (MHS) executado pelo oscilador massa-mola como o movimento de um ponto material sujeito à ação de uma força restauradora proporcional à elongação da mola. Determinar, pelo processo dinâmico, a constante elástica k da mola helicoidal. Reconhecer o MHS executado pelo pêndulo simples como o movimento de um ponto material sujeito à ação de uma força restauradora proporcional ao seu deslocamento angular. Obter as relações entre o período de oscilação, a amplitude de oscilação, a massa pendurada e o comprimento da corda. Determinar o valor da gravidade local por meio da medida do comprimento do fio e do período da oscilação. Reconhecer o MHS executado pela régua como o movimento de um corpo extenso sujeito à ação de um torque restaurador proporcional ao seu deslocamento angular, bem como ao momento de inércia da barra. Determinar, pelo processo dinâmico, o valor do momento de inércia da régua com relação a diferentes eixos de giro. 2. PROBLEMA FÍSICO O movimento oscilatório que ocorre quando a aceleração e a força resultante são proporcionais e opostas ao deslocamento se chama movimento harmônico simples (MHS). Uma grandeza que indica o número de oscilações é a frequência, medida em Hertz ( Hz) e o período é um movimento oscilatório que indica o tempo suficiente para um ciclo completo, além disso o período é o inverso da frequência e sua unidade é o segundo. Outro método de estudar esse problema físico é a partir de um sistema massa mola, onde o atrito e a resistência de ar são desconsiderados e a força elástica é diretamente proporcional à deformação da mola. No decorrer do relatório a constante K será determinada, além das relações entre o período de oscilação, a amplitude de oscilação, a massa pendurada e o comprimento da corda. Com o comprimento do fio e o período de oscilação determinaremos o valor exato da gravidade local e identificarmos movimento harmônico simples executado pela régua e pelo pèndulo simples. 3. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO O movimento harmônicos simples, é um tipo básico de oscilação, todo o movimento que se repete em intervalos regulares de tempo e ocorre em torno de uma posição de equilíbrio, é denominado de movimento periódico ou movimento harmônico, alguns exemplos de movimento oscilatório são as vibrações de átomos e moléculas, vibrações em máquinas e motores e oscilações em estruturas de construção civil. O sistema massa mola é um oscilador harmônico linear simples, formado por um corpo preso a uma mola oscilatória, em torno da posição de equilíbrio. A elasticidade está presente na mola cuja massa é desprezível, e a inércia é inteiramente no corpo, cuja elasticidade é ignorada. O oscilador linear, não há atrito com a superfície, o corpo se move em movimento harmônico simples quando é puxado ou empurrado a partir da posição x=0 e depois liberado, período do movimento se relaciona com a massa do corpo. O pêndulo simples é composto por um corpo preso a um fio inextensível e de massa desprezível , o peso está livre para oscilar para a esquerda e para a direita de uma reta vertical que passa em torno da posição de equilíbrio, onde as dimensões do corpo são desprezíveis. Pêndulo físico é um corpo rígido suspenso por um ponto, posto para oscilar em torno de um eixo que passa por um certo ponto e não passa pelo seu centro de massa. 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 4.1 MATERIAIS UTILIZADOS ● 01 sistema de sustentação principal Arete, formado por tripé triangular, haste, sapatas niveladoras, painel com fixação integrada. O tripé com suporte é utilizado para os objetos que serão medidos possam ser fixados, são afixados ao tripé as molas helicoidais, a régua milimetrada e as massas. 01 cronômetro. Instrumento de precisão, dotado de pêndulo, e capaz de medir o tempo em frações de segundo, utilizado para medir o período de oscilação. 01 conjunto de massas acoplaveis e Gancho lastro. O conjunto de massas, são os pesos acoplados ao suporte e são feitos de aço. O gancho lastro para o conjunto de massas é um suporte em aço que possui envergadura de modo a propiciar o encaixe de diferentes tipos de peças, e diferentes pesos. ● 01 régua milimetrada com dois orifícios (o maior na extremidade e o menor na posição 4,0 cm da escala). A régua milimetrada é um instrumento de medição, capaz de medir comprimentos com a precisão máxima de milímetros, que é definida como sendo a menor divisão da escala graduada, sua menor divisão de escala é um milímetro. 01 transferidor. Instrumento para medir ângulos, o ângulo é medido em graus. 01 mola helicoidal. As molas helicoidais, em geral são feitas de arame de aço em forma cilíndrica ou cônica. Seu funcionamento pode dar-se de três formas distintas: por compressão, por tração ou por torção. 02 massas pendulares de mesmo volume e massas diferentes. As massas pendulares, é o material utilizados para um pêndulo simples, as massa, variam quanto ao seu, volume e massas. 4.2 SISTEMA MASSA-MOLA Executamos a montagem do aparato experimental para a realização do experimento. Com o auxílio do dinamômetro obtivemos os valores de quatro massas acopláveis utilizada no experimento junto com o gancho lastro e anotamos os resultados, penduramos a mola junto com o gancho para cada massa acoplavel, determinamos e anotamos na folha de dados a posição de equilíbrio do sistema. Esticamos a mola 10 mm além da posição de equilíbrio e liberamos o sistema, em seguida observamos o fenômeno e classificamos o tipo de movimento executado pela massa, obtivemos o intervalo de tempo para que o sistema realizasse 5 oscilações completas e anotamos o resultados, repetimos o procedimento mais 3 vezes para massas diferentes. Repetimos o procedimento anterior e analisamos o comportamento da amplitude e a frequência do movimento à medida que o tempo passa. Obtivemos o valor médio do intervalo de tempo das 5 oscilações e posteriormente encontramos o período de uma oscilação completa, construímos um gráfico do período de oscilação em função da massa. Construímos outro gráfico adequado para representar o período de oscilação em função da massa e obtivemos o valor da constante K da mola utilizada, em seguida obtivemos o erro relativo da constante experimental em relação ao valor teórico da constante elástica fornecida e discutimos quais as principais causas da diferença. 4.3 PÊNDULO SIMPLES Com o aparato experimental montado, fixamos o pêndulo de massa maior ao painel, através do parafuso central e encaixamos o fio no corte longitudinal. Ajustamos o comprimento do fio de modo que a distância entre o ponto de suspensão do pêndulo e o centro de gravidade da massa pendular seja 20,0 cm. Deslocamos o pêndulo da posição de equilíbrio e o abandonamos em seguida. Depois, usamos o cronômetropara medir o intervalo de tempo que o pêndulo leva para realizar 5 oscilações completas e anotamos os valores. Repetimos o processo mais 3 vezes e anotamos os valores dos tempos das 5 oscilações na Tabela 3. Depois obtivemos o valor médio do intervalo de tempo das 5 oscilações e encontramos o período de uma oscilação. Alteramos o comprimento do fio que forma o pêndulo e completamos as lacunas da Tabela 3. Reduzimos a massa pendular do sistema e repetimos os procedimentos anotando os valores dos intervalos de tempo das 5 oscilações completas na Tabela 4. 4.4 PÊNDULO FÍSICO Utilizando uma régua milimetrada e um dinamômetro para obter a largura, comprimento e a massa da barra delgada e anotamos os valores encontrados. Executamos a montagem do aparato experimental, logo após foi fixado o pêndulo físico , por meio de um orifício ao painel de sustentação. Medimos a distância (d) entre o furo e a posição do centro de massa da barra delgada, deslocamos a barra delgada da posição de equilíbrio e abandonamos, medindo o intervalo de tempo e que a barra delgada leva para realizar as 5 primeiras oscilações completas, foram feitos um total de 3 vezes, obtendo o valor médio do intervalo de tempo das oscilações e encontrando o período de uma oscilação, todos os valores obtidos foram anotados. O procedimento é repetido com as duas diferentes distâncias existentes no pêndulo físico, entre o centro de massa da barra delgada. 5. DADOS EXPERIMENTAIS 5.1 SISTEMA MASSA-MOLA A partir das medidas experimentais realizadas durante o experimento, obtiveram-se os valores apresentados na tabela 1 e 2 para os dados coletados no estudo do sistema massa-mola. Tabela 1: Tabela dos dados coletados no estudo do sistema massa-mola Massa do Porta Peso (Kg): 0,005Kg Posição de Equilíbrio ( ): 0,07m Massa (Kg) Tempo das 5 Oscilações (s) Período (s) 1°Medida 2°Medida 3°Medida 4°Medida 5°Medida Valor Médio Desvio Padrão 0,023 1,39 ±0,005 1,45 ±0,005 1,70 ±0,005 1,59 ±0,005 1,60 ±0,005 1,546 0,1246 0,3092 ±0,005 0,052 2,37 ±0,005 2,72 ±0,005 2,76 ±0,005 2,62 ±0,005 2,63 ±0,005 2,62 0,1518 0,524 ±0,005 0,075 3,02 ±0,005 3,08 ±0,005 3,08 ±0,005 2,95 ±0,005 3,08 ±0,005 3,042 0,0576 0,6084 ±0,005 0,101 3,27 ±0,005 3,71 ±0,005 3,62 ±0,005 3,79 ±0,005 3,40 ±0,005 3,558 0,2171 0,7116 ±0,005 Tabela 2: Valores das quatro massas acopláveis utilizada no experimento junto com o gancho lastro e a posição de equilíbrio do sistema. Massa Posição de Equilíbrio Massa 1 (0,023Kg) X0 = 0,130 m Massa 2 (0,052Kg) X0 = 0,149 m Massa 3 (0,075Kg) X0 =0,162 m Massa 4 (0,101Kg) X0 = 0,180 m Valor médio do intervalo de tempo das 5 oscilações para encontrar o período de uma oscilação completa Período: T = t/n = 1,546 / 5 = 0,3092 s Cálculo para encontrar o valor da constante experimental. Massa: - 0,023 Kg -> ln 0,023 = - 3,77 - 0,052 Kg -> ln 0,052 = - 2,95 - 0,075 Kg -> ln 0,075 = - 2,59 - 0,101 Kg -> ln 0,101 = - 2,29 Período: 0,3092 s -> ln 0,3092 = -1,17 0,524 s -> ln 0,524 = - 0,65 0,6084 s -> ln 0,6084 = - 0,50 0,7116 s -> ln 0,7116 = - 0,34 Pelo método dos mínimos quadrados: log m log T -1,638 -0,510 -1,284 -0,281 -1,125 -0,216 -0,996 -0,148 b = ½ log(4Π²/k) 0,4219 = ½ log(4Π²)- log(k) Y = 0,5637 x 0,4219 0,8438 = 1,596-log (k) log(k) = 0,7522 k = 5,652 H/m ● Erro relativo: Kₑ = 5,652 N/m → valor da constante experimental Kt = 20 N/m → valor da constante teórica Erro relativo: σ(%) = |valor experviamloenr ttaeló −ri cvoalor teórico|x100% σ(%) = |5,652N20/mN −/m 20N/m|X100% = 71,74% 5.2 PÊNDULO SIMPLES Na tabela 3 e 4, estão os resultados coletados a partir das medidas realizadas no experimento do pêndulo simples, com massa pendular maior e massa pendular menor. Tabela 3: Tabela dos dados coletados no estudo do pêndulo simples com massa pendular maior Massa pendular maior (Kg): 0,022 kg Comprim ento do fio (m) Tempo das 5 oscilações (s) Desvio Padrão Período (s) 1ª Medida 2ª Medida 3ª Medida 4ª Medida 5ª Medida Valor médio 0,10 3,47 ± 0, 005 3,47 ± 0, 005 3,73 ± 0, 005 3,82 ± 0, 005 3,50 ± 0,005 3,598 0,1651 0,7196 ± 0,005 0,15 4,32 ± 0,005 4,33 ± 0, 005 4,12 ± 0, 005 4,15 ± 0, 005 4.23 ± 0,005 4,23 0,0956 0,846 ± 0,005 0,20 4,21 ± 0, 005 4.23 ± 0, 005 4,18 ± 0, 005 4,40 ± 0,005 4.33 ± 0,005 4,27 0,0919 0,854 ± 0,005 0,25 4,25 ± 0, 005 4,46 ± 0, 005 4,32 ± 0, 005 4,36 ± 0,005 4,42 ± 0,005 4,362 0,0825 0,8724 ± 0,005 0,30 4,59 ± 0, 005 4,64 ± 0,005 4,78 ± 0,005 4,79 ± 0, 005 4,70 ± 0,005 4,70 0,0868 0,94 ± 0,005 Comprimento: 0,10 m -> ln 0,10 = - 2,30 0,15 m -> ln 0,15 = - 1,90 0,20 m -> ln 0,20 = - 1,61 0,25 m -> ln 0,25 = -1,39 5- 0,30 m -> ln 0,30 = - 1,20 Período: - 0,7196 -> ln 0,7196 = -0,33 - 0,846 -> ln 0,846 = - 0,17 - 0,854 -> ln 0,854 = - 0,16 - 0,8724 -> ln 0,8724 = - 0,14 - 0,94 -> ln 0,94 = - 0,06 Pelo método dos mínimos quadrados: T log T = ½ log L + log[2Π/g²] y = ax + b y = 0,214x = log[2Π/g²] 0,0821 = 0,798 - log[g¹/²] log[g¹/²] = 0,7159 ½ log g = 0,7159 log[g] = 1,4318 g = 27,03 m/s² Estático de K a = g/k ---> k = g/a y = 0,5307x + 0,0497 k = g/a k = 9,78/ 0,5307 k = 18,43 H/m Dinâmico de K T² = 4Π²/k.m log T = ½ log m + ½ log(4Π²/k) logo: b = ½ log(4Π²/k) y = a.x + b ● Erro relativo: gₑ = 27,03 m/s 2 → valor da constante experimental g t = 9,78 m/s 2 → valor da constante teórica Erro relativo: σ(%) = |valor experviamloenr ttaeló −ri cvoalor teórico|x100% σ(%) = |9,789 −,7 287,03|X100% = 176,38% Tabela 4: Tabela dos dados coletados no estudo do pêndulo simples com massa pendular menor Massa pendular menor( Kg) : 0,006 kg Comprim ento do fio (cm) Tempo das 5 oscilações (s) Desvio Padrão Período (s) 1ª Medida 2ª Medida 3ª Medida 4ª Medida 5ª Medida Valor médio 10 3,87 ± 0, 005 3,87 ± 0, 005 3,54 ± 0, 005 3,67 ± 0, 005 3,60 ± 0, 005 3,71 0,1531 0,742 ± 0, 005 15 4,32 ± 0,005 4,36 ± 0, 005 4,30 ± 0, 005 4,24 ± 0,005 4.12 ± 0,005 4,268 0,0933 0,8536 ± 0, 005 20 4,45 ± 0, 005 4.48 ± 0, 005 4,20 ± 0, 005 4,33 ± 0, 005 4.30 ± 0, 005 4,352 0,1143 0,8704 ± 0, 005 25 4,35 ± 0, 005 4,19 ± 0, 005 4,36 ± 0, 005 4,52 ± 0, 005 4,40 ± 0, 005 4,364 0,1184 0,8728 ± 0, 005 30 4,92 ± 0,005 4,73 ± 0, 005 4,65 ± 0, 005 4,52 ± 0, 005 4,56 ± 0, 005 4,676 0,1588 0,9352 ± 0,005 5.3. PÊNDULO FÍSICO Na tabela 5, temos os dados do pêndulo físico, com dados da barra delgada do eixo. Tabela 5: Tabela dos dados coletados no estudo do pêndulo físico Informações da Barra Delgada Comprimento(m): 0,37m Largura(m): 0,03m Massa(Kg): 0,036kg Distância(cm) Tempo das 5 Oscilações(s) Período(s) 1°Medida 2°Medida 3°Medida 4°Medida 5°Medida Valor Médio 9 4,46 ± 0, 005 4,31 ± 0, 005 4,71 ± 0, 005 4,97 ± 0, 005 4,60 ± 0, 005 4,61 0,922 ± 0, 005 ● Cálculo do momento de inércia teórico da barra em relação ao eixo perpendicular ao plano da barra delgada e que passa pelo centro de massa. Icm = 1/12 m(a²+b²) Icm = 1/12. 0,037(0,03²+ 0,37²) Icm = 4,249.10 kgm² I teórico It = 4,249.10 + 0,037.0,09² It = 7,246.10 kgm² ● Cálculo do momento de inércia experimental (I E) da barra, por meio da expressão teórica do período de oscilações do pêndulo físico, com a correção do valor teórico do momento de inércia da barra delgada , com o Teorema de Steiner, também denominado de Teorema dos eixos paralelo. I experimental Ie = 0,36.0,09/4Π . 0,922 Ie = 7,567 x 10 kgm² ● Comparando os valores de inércia experimental (IE ) com o do momento de inércia teórico: Erro relativo: σ(%) = |valor experviamloenr ttaeló −ri cvoalor teórico|x100% σ₁(%) = | 7,567x170,2 −446 − x 7 1,204 −64 x 10 −4 |x 100% σ₁(%) = 4,43 % 6 . ANÁLISE DE DADOS 6.1 SISTEMA MASSA-MOLA O tipo de movimento realizado pela mola, foi observado após a mola sofrer uma elongação, onde oscila para baixo e para cima até parar, sendo classificado como Movimento Harmônico Simples (MHS). A amplitude diminui, à medida que o tempo passa, devido ao sistema massa - mola sofrer a ação do atrito e de uma força restauradora (-kx) capaz de retirar a energia mecânica do sistema, refletindo na perda de velocidade. Como o período aumenta, a frequência diminui, pois são inversamente proporcionais. Pelo método dos dos mínimos quadrados, obteve se o valor de K da mola utilizada. O erro relativo obtido referente a diferença de valores foi devido aos erros instrumentais, observacionais, montagem e execução do experimento. Os gráficos referente à tabela e cálculos do sistema massa-mola, encontram-se em anexo. 6.2 PÊNDULO SIMPLES Para que o movimento do pêndulo simples possa ser representado através de um movimento harmônico simples, é necessário que seja restrito a pequenos ângulos, (pois o valor do seno do ângulo será aproximadamente igual a este ângulo) e se desconsidere a resistência do ar e demais forças dissipativas. Podemos observar que o período do pêndulo é diretamente proporcional ao comprimento do fio. Pelo método dos mínimos quadrados, obtivemos o valor experimental da gravidade local de 27,03 m/s² O erro relativo da gravidade experimental em relação ao valor teórico da aceleração aceleração da gravidade foi de 176,38%. O erro pode ser atribuído a equívoco na montagem do aparato, na maneira que foi solto o fio entre as medições e observação bem como marcação do tempo das oscilações. Comparando os períodos da massa maior com os da massa menor podemos observar uma pequena variação que resulta em períodos maiores para a massa menor, essa variação pode ser atribuída a um erro na observação e medição das oscilações, já que o valor da massa não interfere no período da oscilação. 6.3. PÊNDULO FÍSICO Com o cálculo do momento de inércia teórico da barra em relação ao eixo perpendicular ao plano da barra delgada e que passa pelo centro de massa e o cálculo do momento de inércia experimental (IE) da barra, comparando os valores de inércia obtidos nos cálculos o erro relativo foi de 4,43%. Como esperado, existe diferenças entre os valores encontrados e os valores teóricos, de acordo com a teoria dos erros, as diferenças entre os resultados obtidos para a inércia experimental e a teórica são valores pequenos e ocorrem devido aos erros grosseiros causados por engano na medição, leitura errada nos instrumentos, e aos erros sistemáticos, que em geral estão associados a pequenos erros de montagens ou equipamentos mal aferidos, além das possíveis oscilações transversais da barra e pela ação do atrito entre o eixo e o furo em que a barra estava suspensa. 7. CONCLUSÃO Reconhecemos o movimento executado pelo oscilador massa-mola como um movimento harmônico simples (MHS) e constatamos que está sujeito a uma força restauradora. Determinamos a constante k da mola, embora tenha uma pequena diferença do valor obtido para o valor teórico, que foi devido a erros instrumentais, observacionais, montagem e execução do experimento. Notamos que o pêndulo simples realiza MHS pelo movimento do ponto material e seu período depende de comprimento do fio e independe do valor da massa acoplada, sofrendo uma força restauradora proporcional ao seu deslocamento angular. Obtemos o valor da gravidade local, usando comprimento do fio e o período de oscilação, que apresentou uma variação atribuída à resistência do ar bem como erros na montagem do fio, medição do ângulo e contagem das oscilações. Observamos, que a partir da porcentagem do erro relativo, e na análise entre os métodos do momento de inércia determinado a partir do Teorema de Steiner e o do momento de inércia determinado a partir do período do pêndulo físico, utilizados para encontrar os valores experimentais e teóricos, apresentou variações dentro do esperado, possibilitando assim considera o movimento do pêndulo físico e os métodos utilizados como meio determinação do momento de inércia de um corpo. 8. REFERÊNCIAS Halliday, Resnick, Walker. Fundamentos de física. Vol 2. 8 ed. Editora LTC,2009. SEARS, F.; ZEMANSKY, M.W.; YOUNG, H.D. Física: mecânica da partícula e dos corpos rígidos, v.1, Rio de Janeiro: LTC, 1985. TIPLER, PAUL A. Física para cientistas e engenheiros. Vol 2. 4 ed. Editora LTC, 2000 9. APÊNDICES log m logT -1,638 -0,51 -1,284 -0,281 -1,125 -0,216 -0,996 -0,148 Gráfico 1: K Dinâmico MxT Fonte: Experimento MHS. x y 0,023 0,06 0,051 0,079 0,073 0,092 0,099 0,101 Gráfico 2: K Estático Fonte: Experimento MHS. Massa maior M T -1 -0,143 -0,824 -0,073 -0,699 -0,068 -0,602 -0,059 -0,523 -0,027 Gráfico 3: Fonte: Experimento MHS. 2 2