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Apostila de Laboratório Física Aplicada SUMÁRIO GRÁFICOS DE RETAS EM PAPEL MILIMETRADO .......................................................... 1 EXERCÍCIOS ....................................................................................................................... 5 ATIVIDADE PRÁTICA 1 – GRÁFICOS EM PAPEL MILIMETRADO ................................. 12 ATIVIDADE PRÁTICA 2 – MOVIMENTO UNIFORME ...................................................... 16 ATIVIDADE PRÁTICA 3 – MOVIMENTO UNIFORMEMENTE VARIADO ......................... 20 ATIVIDADE PRÁTICA 4 – QUEDA LIVRE ........................................................................ 27 ATIVIDADE PRÁTICA 5 – BARICENTRO ......................................................................... 33 ATIVIDADE PRÁTICA 6 – EQUILÍBRIO DE FORÇAS EM SISTEMA DE POLIAS ........... 35 ATIVIDADE PRÁTICA 7 – ASSOCIAÇÃO DE POLIAS ..................................................... 40 ATIVIDADE PRÁTICA 8 – EQUILÍBRIO DO CORPO EXTENSO ..................................... 45 EXERCÍCIOS ..................................................................................................................... 47 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 1 GRÁFICOS DE RETAS EM PAPEL MILIMETRADO A utilização de gráficos na Física é tão importante quanto o conceito de função na matemática. É através de gráficos que se pode representar fenômenos e ilustrar propriedades importantes. O gráfico permite relacionar duas ou mais grandezas, porém nesta parte do curso ele será trabalhado apenas com duas grandezas, uma independente e outra dependente. Por exemplo, em um gráfico que represente a posição de um corpo em relação ao tempo, tem-se a variável tempo como independente e a variável posição como dependente. O tempo flui de forma independente da posição do corpo, contudo, a posição varia em função (de forma dependente) do tempo. A observação de um fenômeno físico qualquer é feita, geralmente, através do tabelamento de valores medidos. Ao se construir um gráfico desses dados, cria-se uma nova possibilidade de analisar o fenômeno. A seguir, serão estudados os procedimentos adequados para a construção de um gráfico em papel milimetrado. 1. Sistema cartesiano - Grandezas e suas unidades de medida Ao traçarmos os eixos ortogonais, é necessário indicar, em cada um dos eixos, qual a grandeza utilizada e a unidade de medida em que a mesma se encontra (esta última deve ser apresentada entre parênteses). ATENÇÃO: a) Não esquecer de indicar o sentido: ↑ ou → b) Cada eixo representa uma das variáveis: o eixo das abscissas (horizontal) representa a variável independente e o eixo das ordenadas (vertical) representa a variável dependente. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 2 2. Escolha da escala Para possibilitar uma leitura rápida e clara dos valores, a escala deve ser escolhida de forma a utilizar apenas os algarismos 1, 2 ou 5, acompanhados ou não de zeros. Lembrando que só um dos três algarismos diferentes de zero pode ser utilizado e apenas uma única vez. Exemplos de valores de escala: … 0,01 0,1 1 10 100 … … 0,02 0,2 2 20 200 … … 0,05 0,5 5 50 500 … Para determinar a escala, utilize o maior valor da grandeza e a divida pelo número de quadrados maiores (intervalos). Empregue sempre um arredondamento para um valor maior, visto que o valor obtido representa o menor valor da escala para que todos os pontos sejam representados. 3. Marcação dos pontos Utilizar uma margem de variação de 10% (1 de 10 quadrados menores) para cada um dos lados, ou seja, a marcação será composta por quatro quadrados menores cujo centro é a marcação aferida. Não use linhas de chamada, linhas perpendiculares aos eixos utilizadas para localizar os pontos, mesmo que sejam tracejadas. Elas confundem a leitura dos pontos interpolados. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 3 4. Traçar a reta média A reta média é a reta que passa mais próxima de todos os pontos. Quando os pontos estão alinhados, todos eles farão parte da reta, contudo, há situações em que os pontos não estão perfeitamente alinhados e alguns deles ficam de fora. Equilibrar esses pontos é o desafio da reta média. É importante salientar que a reta média não significa ligar o primeiro e o último ponto. Em alguns casos algum destes ou ambos poderão não pertencer a reta média. A reta não precisa necessariamente passar pelo centro da região, pois qualquer ponto dentro de uma região é um valor provável e em alguns casos é possível que a reta não passe por todas as regiões. Nem sempre todos os pontos podem ser contemplados na reta. O importante é que se tente aproximar, ao máximo, a reta de todos os pontos. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 4 5. Calcular os valores dos coeficientes Dada uma equação do tipo 𝑦 = 𝐴 + 𝐵. 𝑥, tem-se que: a) 𝐴 é o coeficiente linear, que representar o valor de 𝑦 para 𝑥 = 0. b) 𝐵 é o coeficiente angular, que representa a variação de y para cada variação unitária de x. 5.1 Como determinar o coeficiente linear? Através da leitura do gráfico, ou seja, o valor inicial do gráfico (quando 𝑥 = 0) no eixo das ordenadas é o próprio valor de 𝐴. Pode-se dizer que 𝐴 = 𝑦(0). 5.2 Como determinar o coeficiente angular? Escolher dois pontos distintos pertencentes à reta e traçar um triângulo. Não utilizar linhas contínuas para marcar os catetos do triângulo, já que a única linha contínua do gráfico deve ser a linha da reta média. Nesse caso, empregar linhas tracejadas, conforme o exemplo. ATENÇÃO: A variação de y será negativa caso a reta seja decrescente. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 5 6. Representar a equação específica do experimento Para representar a equação do experimento, basta substituir os valores dos coeficientes linear e angular. Se estiver utilizando as unidades de medida do Sistema Internacional, deve-se acrescentar (S.I.) no final da equação. Por exemplo: 𝑽 = 𝟐𝟓 − 𝟒, 𝟔. 𝒕 (𝑺𝑰) Com a indicação (SI) no final da equação, sabe-se que as unidades de medida de velocidade e de tempo utilizadas são, respectivamente, m/s e s. EXERCÍCIOS 1) Para cada tabela proposta indicar a posição das variáveis nos eixos, os coeficientes linear e angular das funções e determinar as escalas para utilização do papel milimetrado. a) Função: 𝑃 = 𝑚 . 𝑔 Papel Milimetrado: 15⊞ 𝑥 e 10⊞ 𝑦 𝑃 (𝑁) 19,5 48,0 79,0 101,0 136,3 𝑚 (𝑘𝑔) 2,0 5,0 8,0 10,0 14,0 Eixo 𝑥 Eixo 𝑦 Variável Escala Coef. Angular Coef. Linear b) Função: 𝑉 = 𝑉𝑜 + 𝑎 . 𝑡 Papel Milimetrado: 12⊞ 𝑥 e 12⊞ 𝑦 𝑡 (𝑠) 30 92 181 275 368 𝑉 (𝑚/𝑠) 5,4 28,0 52,5 79,5 110,0 Eixo 𝑥 Eixo 𝑦 Variável Escala Coef. Angular Coef. Linear Física Aplicada – Apostila de Laboratório 6 c) Função: 𝑆 = 𝑆𝑜 + 𝑣 . 𝑡 Papel Milimetrado: 14⊞ 𝑥 e 13⊞ 𝑦 𝑡 (𝑠) 32 98 198 290 385 𝑆 (𝑚) 3,32 14,21 27,03 40,54 55,02 Eixo 𝑥 Eixo 𝑦 Variável Escala Coef. Angular Coef. Linear d) Função: 𝐹 = 𝐹𝑜 + 𝑚. 𝑎 Papel Milimetrado: 10⊞ 𝑥 e 14⊞ 𝑦 𝑎 (𝑚/𝑠2) 0,012 0,026 0,038 0,057 0,070 𝐹 (𝑁) 1,19 0,84 0,69 0,38 0,08 Eixo 𝑥 Eixo 𝑦 Variável Escala Coef. AngularCoef. Linear e) Função: 𝐸 = 𝐸𝑜 + 𝑚 . 𝑔. ℎ Papel Milimetrado: 11⊞ 𝑥 e 10⊞ 𝑦 𝐸 (𝐽) 82,5 481,0 895,4 1058,2 1694,4 ℎ (𝑚) 1,2 5,0 9,2 11,4 16,9 Eixo 𝑥 Eixo 𝑦 Variável Escala Coef. Angular Coef. Linear Física Aplicada – Apostila de Laboratório 7 2) Construir os gráficos segundo as normas de engenharia dos resultados experimentais indicados nas tabelas. a) 𝐹 (𝑁) 84 120 156 190 214 𝑎 (𝑚/𝑠²) 2 5 7,7 10,6 12,5 Sabe-se que no início do experimento já existia uma força inicial (F0) e que a equação genérica deste experimento é definida por: 𝑭 = 𝑭𝒐 + 𝒎. 𝒂. I. A partir do gráfico determine a massa 𝑚 (unidade em quilograma) e a força inicial 𝐹𝑜; II. Com os dados obtidos escreva a equação específica deste experimento. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 8 b) 𝑈 (𝑉) 102 74 55 30 14 𝐼 (𝐴) 4 10 14,6 21,6 25,2 Sabe-se que a equação genérica deste experimento é definida por: 𝑼 = 𝑬 + 𝒓. 𝑰 onde 𝐸 representa a força eletromotriz da fonte e 𝑟 sua resistência interna. I. A partir do gráfico determine o valor de 𝐸 e o valor de 𝑟 (em ohms – 𝛺); II. Com os dados obtidos escreva a equação específica deste experimento. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 9 c) 𝑡 (𝑠) 2,2 3,9 6,4 8,5 10,8 𝑉 (𝑚/𝑠) 87,0 72,0 59,0 53,0 35,0 A equação das velocidades neste tipo de movimento é do tipo 𝑽 = 𝑽𝒐 + 𝒈. 𝒕, onde 𝑔 é a aceleração da gravidade e 𝑉𝑜 é a velocidade inicial do móvel. I. A partir do gráfico determine a velocidade inicial (𝑉𝑜) e a aceleração da gravidade local (𝑔); II. Com os dados obtidos escreva a equação específica deste experimento. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 10 d) 𝑡 (𝑠) 1,2 2,5 3,7 4,3 5,6 𝑉 (𝑚/𝑠) 45,0 38,0 30,0 26,0 18,5 OBS: a equação das velocidades neste tipo de movimento é do tipo 𝑽 = 𝑽𝒐 + 𝒈. 𝒕, onde 𝑔 é a aceleração da gravidade e 𝑉𝑜 é a velocidade inicial do móvel. I. A partir do gráfico determine a velocidade inicial (𝑉𝑜) e a aceleração da gravidade local (𝑔); II. Com os dados obtidos escreva a equação específica deste experimento. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 11 e) U (V) 100 132 164 190 230 I (A) 1,4 2,3 3,5 4,4 5,6 Sabe-se que a equação genérica deste experimento é definida por: 𝑼 = 𝑬 + 𝒓. 𝑰, em que 𝐸 representa a força eletromotriz da fonte e 𝑟 sua resistência interna. I. A partir do gráfico determine os valores de 𝐸 (em volts) e de 𝑟 (em 𝛺). II. Com os dados obtidos, escreva a equação específica do experimento. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 12 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA Faculdade de Engenharia – Física Aplicada Aluno: __________________________________________________ RA: __________ ATIVIDADE PRÁTICA 1 – GRÁFICOS EM PAPEL MILIMETRADO OBJETIVOS: a) Construir gráficos de retas utilizando papel milimetrado; b) Representar experimentos através de gráficos. ATIVIDADE 1: Um estudante efetuou uma série de medições com o intuito de verificar a dependência entre a força aplicada em um corpo de massa (𝑚) constante e sua aceleração, obtendo os dados indicados na tabela abaixo. 𝐹 (𝑁) 25 53 82 103 127 𝑎 (𝑚/𝑠²) 2 6 12,2 16,6 19,7 Sabe-se que no início do experimento já existia uma força inicial (𝐹𝑜) e que a equação genérica deste experimento é definida por: 𝑭 = 𝑭𝒐 + 𝒎. 𝒂. a) Construa em papel milimetrado o diagrama representativo deste fenômeno; b) A partir do gráfico determine a massa 𝑚 (em quilogramas) e a força inicial (𝐹𝑜); c) Com os dados obtidos escreva a equação especifica deste experimento. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 13 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 14 ATIVIDADE 2: Em um planeta uma esfera é lançada verticalmente para cima. Um aluno ao estudar este movimento obteve os dados indicados na tabela abaixo. 𝑡 (𝑠) 60 45 32 17 4,5 𝑉 (𝑚/𝑠) 1,2 2,1 2,8 3,9 4,5 Sabe-se que a equação genérica deste experimento é definida por: 𝑽 = 𝑽𝒐 + 𝒈. 𝒕, em que 𝑔 representa a aceleração da gravidade, em 𝑚/𝑠², e 𝑉𝑜 representa a velocidade inicial, em 𝑚/𝑠. a) Construa em papel milimetrado o diagrama representativo deste fenômeno; b) A partir do gráfico determine a velocidade inicial (𝑉𝑜) e a aceleração da gravidade (𝑔); c) Com os dados obtidos, escreva a equação específica do experimento. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 15 ATIVIDADE 3: Um móvel percorre uma trajetória retilínea com movimento uniformemente variado. Um aluno ao estudar este movimento obteve s dados indicados na tabela abaixo. 𝑡 (𝑠) 5 11 17 23 27 𝑉 (𝑚/𝑠) 144 108 80 52 26 Sabe-se que a equação genérica deste experimento é definida por: 𝑽 = 𝑽𝒐 + 𝜸. 𝒕, em que 𝑔 representa a aceleração da gravidade, em 𝑚/𝑠², e 𝑉𝑜 representa a velocidade inicial, em 𝑚/𝑠. a) Construa em papel milimetrado o diagrama representativo deste fenômeno; b) A partir do gráfico determine a aceleração 𝛾 e a velocidade inicial 𝑉𝑜 deste móvel; c) Com os dados obtidos escreva a equação das velocidades deste móvel. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 16 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA Faculdade de Engenharia – Física Aplicada Aluno: __________________________________________________ RA: __________ ATIVIDADE PRÁTICA 2 – MOVIMENTO UNIFORME OBJETIVOS: a) Observar a ocorrência de movimento uniforme (MU) e seus parâmetros característicos; b) Determinar a velocidade média experimental do móvel através da equação física do movimento uniforme e através do método gráfico; c) Verificar a influência de um plano inclinado no movimento uniforme. MATERIAIS UTILIZADOS: a) Pista em perfil U para deslocamento do móvel acoplada à um sistema de elevação angular; b) Móvel movido a pilha; c) Cronômetros. MONTAGEM E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: a) Estender a pista inclinável e certificar que esta esteja posicionada na horizontal (ângulo de 0°); b) Posicionar o móvel desligado na área disponível para a largada; c) Ajustar os cronômetros para zero; d) Ligar o móvel e acionar os três cronômetros quando este cruzar a marca do zero; e) Acionar novamente os cronômetros quando o móvel atingir a marca de 25 𝑐𝑚; f) Repetir o movimento a partir do item d) permitindo que, a cada novo ensaio, o móvel percorra 25 𝑐𝑚 a mais, portanto: 50 𝑐𝑚, 75 𝑐𝑚, 100 𝑐𝑚 e 125 𝑐𝑚, sempre utilizando a largada como referência inicial, conforme ilustra o esquema correspondente; g) Anotar o tempo do deslocamento medido pelos cronômetros na tabela correspondente; h) Calcular o intervalo de tempo médio Δ𝑡̅̅ ̅ e a velocidade média 𝑉𝑚̅̅̅̅ do deslocamento do móvel; i) Construir o gráfico do deslocamento versus tempo, segundo as normas de engenharia, e calcular a velocidade média de forma gráfica; Física Aplicada – Apostila de Laboratório 17 A. ENSAIO 1 – RAMPA COM ∡ = 0° Figura 1: Procedimento experimental para avaliação do movimento do móvel na horizontal (∡ = 0°). Tabela 1: Dados experimentais coletados para o móvel se deslocandona horizontal (∡ = 0°). 𝜟𝑺 (𝒄𝒎) 𝜟𝑺 (𝒎) 𝜟𝒕 𝟏 (𝒔) 𝜟𝒕 𝟐 (𝒔) 𝜟𝒕 𝟑 (𝒔) Tempo Médio (𝒔) 𝑽 (𝒎/𝒔) 25 50 75 100 125 Velocidade Média (𝒎/𝒔) Física Aplicada – Apostila de Laboratório 18 A1. Construção do diagrama em milimetrado da função 𝑺 = 𝑺𝑶 + 𝑽 (𝒕 − 𝒕𝒐) : A partir do gráfico, tem-se: 𝑡𝑔𝜃 = 𝑉 = 𝑐𝑎𝑡. 𝑜𝑝. 𝑐𝑎𝑡. 𝑎𝑑𝑗. = Δ𝑆 Δ𝑡 = ⟹ 𝑉 = 𝑚/𝑠 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 19 B. ANÁLISE DOS RESULTADOS / CONCLUSÃO B1. Explique a diferença entre a velocidade média obtida a partir da equação do Movimento Uniforme (MU) e a partir da construção do diagrama gráfico. Qual método para obtenção da velocidade média seria o mais adequado para representar o MU em uma situação real? Por quê? B2. Qual seria o efeito esperado na velocidade do carrinho caso a rampa fosse posicionada com uma inclinação positiva? O Movimento observado ainda seria MU? Explique. B3. O que seria esperado caso a pilha que alimenta o motor do móvel estivesse com meia vida e com baixa carga, ou seja, com energia suficiente para promover movimento ao carrinho, mas com menor potência. O movimento ainda seria uniforme? Física Aplicada – Apostila de Laboratório 20 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA Faculdade de Engenharia – Física Aplicada Aluno: __________________________________________________ RA: __________ ATIVIDADE PRÁTICA 3 – MOVIMENTO UNIFORMEMENTE VARIADO OBJETIVOS: a) Observar a ocorrência do movimento uniformemente variado (MUV) e a ação da gravidade; b) Mensurar a velocidade média do móvel trecho a trecho pelo método gráfico; c) Determinar a aceleração do móvel e a influência da massa e do ângulo da pista nesse parâmetro. MATERIAIS UTILIZADOS: a) Pista em perfil U para deslocamento do móvel acoplada à um sistema de elevação angular; b) Móvel com rolamentos e suporte para lastro; c) Discos de metal para lastro; d) Cronômetros. MONTAGEM E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: a) Estender a pista inclinável e certificar que esta esteja fixada na posição 1 (~11° com a horizontal); b) Posicionar o móvel na área disponível para a largada; c) Ajustar o cronômetro para zero; d) Abandonar o móvel e acionar o cronômetro quando este cruzar a marca do zero; e) Acionar novamente o cronômetro quando o móvel atingir a marca de 25 𝑐𝑚; f) Repetir o procedimento a partir do item d) permitindo que, a cada novo ensaio, o móvel percorra 25 𝑐𝑚 a mais, portanto: 50 𝑐𝑚, 75 𝑐𝑚, 100 𝑐𝑚 e 125 𝑐𝑚, utilizando a largada como referência; g) Anotar o tempo do deslocamento na tabela correspondente; h) Repetir cada medição três vezes e calcular o intervalo de tempo médio Δ𝑡̅̅ ̅; i) Alterar o ângulo da pista para a posição 2 (~16°) e repetir o procedimento experimental a partir do item b), realizando novamente três repetições para cada medição. j) Alterar o ângulo da pista para a posição 3 (~20°) e repetir o procedimento experimental a partir do item b), realizando novamente três repetições para cada medição. k) Construir o gráfico do deslocamento versus tempo, segundo as normas de engenharia. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 21 A. ENSAIO 1 – EFEITO DO ÂNGULO DA RAMPA Figura 1: Procedimento experimental para avaliação do efeito da massa no movimento do móvel em uma rampa inclinada. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 22 Tabela 1: Dados experimentais coletados para o móvel se deslocando com um ângulo de 11°. 𝜟𝑺 (𝒄𝒎) 𝜟𝑺 (𝒎) 𝜟𝒕 𝟏 (𝒔) 𝜟𝒕 𝟐 (𝒔) 𝜟𝒕 𝟑 (𝒔) Tempo Médio (𝒔) 25 50 75 100 125 Tabela 2: Dados experimentais coletados para o móvel se deslocando com um ângulo de 16°. 𝜟𝑺 (𝒄𝒎) 𝜟𝑺 (𝒎) 𝜟𝒕 𝟏 (𝒔) 𝜟𝒕 𝟐 (𝒔) 𝜟𝒕 𝟑 (𝒔) Tempo Médio (𝒔) 25 50 75 100 125 Tabela 3: Dados experimentais coletados para o móvel se deslocando com um ângulo de 20°. 𝜟𝑺 (𝒄𝒎) 𝜟𝑺 (𝒎) 𝜟𝒕 𝟏 (𝒔) 𝜟𝒕 𝟐 (𝒔) 𝜟𝒕 𝟑 (𝒔) Tempo Médio (𝒔) 25 50 75 100 125 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 23 A1. Construção do diagrama em milimetrado da função: 𝑺 = 𝑺𝑶 + 𝑽𝒐 (𝒕 − 𝒕𝒐) + 𝒂 𝟐 (𝒕 − 𝒕𝒐) 𝟐 (Ângulo de 11°) Note que para um intervalo de tempo semelhante, o móvel percorre um espaço cada vez maior! Logo, o movimento é ACELERADO! Física Aplicada – Apostila de Laboratório 24 B. ANÁLISE DOS RESULTADOS / CONCLUSÃO B1. Classifique o movimento realizado pelo carrinho. Como seria o gráfico da velocidade versus tempo da experiência realizada? Exemplifique esquematicamente. B2. Qual o efeito gerado no deslocamento/velocidade do móvel quando do aumento do ângulo da rampa? Justifique sua resposta. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 25 C. PARA TREINAR! C1. Construa os diagramas da variação do espaço em função do tempo para as outras inclinações utilizadas na Atividade Prática 3. (Ângulo de 16°) Física Aplicada – Apostila de Laboratório 26 (Ângulo de 20°) Física Aplicada – Apostila de Laboratório 27 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA Faculdade de Engenharia – Física Aplicada Aluno: __________________________________________________ RA: __________ ATIVIDADE PRÁTICA 4 – QUEDA LIVRE OBJETIVOS: a) Verificar a influência, ou não, da massa no movimento de queda livre; b) Analisar os dados coletados em um movimento de queda livre e construir os gráficos da posição e da velocidade em função do tempo; c) Calcular o valor da aceleração da gravidade no laboratório através dos gráficos construídos. MATERIAIS UTILIZADOS: a) Sensor; b) Cronômetro; c) Eletroímã; d) Três esferas metálicas: 15 𝑚𝑚, 20 𝑚𝑚 e 25 𝑚𝑚. MONTAGEM E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: a) Montar o equipamento conforme o esquema abaixo: Física Aplicada – Apostila de Laboratório 28 b) Com o interruptor na posição “liga” prender a esfera de 25 𝑚𝑚 de diâmetro (a maior) ao eletroímã; c) Alinhar a borda inferior da esfera na posição 1,1 𝒄𝒎 (observe a figura a seguir); d) Ajustar o cronometro para função F-2 (botão função); e) Posicionar a base superior do sensor óptico na posição 5 𝑐𝑚; Obs.: A tomada de medida será realizada no centro do sensor, correspondendo a uma distância de 1,1 𝒄𝒎 da base superior. Esta diferença já foi compensada no ajuste da esfera. f) Zerar o cronômetro (botão reset); g) Passar o interruptor para a posição DESLIGA. A esfera cai, passando pelo sensor e parando a contagem do cronômetro; h) Verificar o tempo indicado e anotar na Tabela 1; i) Passar o interruptor para a posição LIGA; j) Prender a esfera ao eletroímã; k) Repetir os passos do item e ao j), variando a posição do sensor conforme a Tabela 1. Tabela 1: Resultados experimentais para a queda livre da esfera de 25 𝑚𝑚. 𝑦 (𝑚) 0 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 𝑡 (𝑠) Física Aplicada – Apostila de Laboratório 29 l) Com o sensor na posição de 50 𝑐𝑚 realize a tomadade tempo para as esferas de 15 𝑚𝑚 e de 20 𝑚𝑚 de diâmetro. 15 𝑚𝑚 ⇒ t = __________(s) 20 𝑚𝑚 ⇒ t = __________(s) 25 𝑚𝑚 ⇒ t = __________(s) (este valor já foi obtido durante o experimento) A. ATIVIDADE 1 Baseado na Tabela 1, construa o diagrama milimetrado 𝑦 = 𝑓(𝑡). Física Aplicada – Apostila de Laboratório 30 B. ATIVIDADE 2 Preencha as posições do corpo nos instantes de tempo sugeridos na tabela 2 baseado no diagrama 𝑦 = 𝑓(𝑡), construído na ATIVIDADE 1. Tabela 2: Posição instantânea da esfera no experimento de queda livre. 𝑡 (𝑠) 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 𝑦 (𝑚) B1. Cálculo das velocidades utilizando as equações para o Movimento Uniformemente Variado: 𝑆 = 𝑆𝑂 + 𝑉𝑜 (𝑡 − 𝑡𝑜) + 𝑎 2 (𝑡 − 𝑡𝑜) 2 (𝑆 − 𝑆𝑂) = 𝑉𝑜 (𝑡 − 𝑡𝑜) + 𝑎 2 (𝑡 − 𝑡𝑜) 2 𝑉 = 𝑉𝑜 + 𝑎 (𝑡 − 𝑡𝑜) (𝑉 − 𝑉𝑜) = 𝑎 (𝑡 − 𝑡𝑜) Considerando 𝑆𝑂 = 0, 𝑉𝑂 = 0 e 𝑡𝑂 = 0: 𝑆 = 𝑎 2 𝑡2 2 𝑆 = (𝑎 𝑡) 𝑡 𝑎 𝑡 = 2 𝑆 𝑡 (1) 𝑉 = 𝑎 𝑡 (2) Substituindo a Eq. (2) na Eq. (1): 𝑉 = 2 𝑆 𝑡 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 31 Calcule os valores da velocidade da esfera para os instantes de tempo contidos na Tabela 2, utilizando a propriedade da velocidade média do MRUV. Anote os valores obtidos na Tabela 3 da variação da velocidade do corpo em função do tempo, para a construção do diagrama 𝑉 𝑥 𝑡 . Tabela 3: Velocidade média da esfera em queda livre. 𝑡 (𝑠) 0 0,12 0,16 0,20 0,24 0,28 𝑉 (𝑚/𝑠) 0 A partir do gráfico determine o valor da aceleração da gravidade. 𝑡𝑔𝜃 = 𝑎 = 𝑐𝑎𝑡. 𝑜𝑝. 𝑐𝑎𝑡. 𝑎𝑑𝑗. = ΔV Δ𝑡 = ⟹ 𝑎 = 𝑚/𝑠2 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 32 C. ANÁLISE DOS RESULTADOS / CONCLUSÃO C1. A massa da esfera influencia no tempo de queda? C2. Observando os valores da tabela 1 e o gráfico 𝑦 = 𝑓(𝑡) é possível perceber que tipo de movimento é a queda livre? Justifique. C3. Que tipo de gráfico representa o comportamento da aceleração em função do tempo? Justifique. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 33 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA Faculdade de Engenharia – Física Aplicada Aluno: __________________________________________________ RA: __________ ATIVIDADE PRÁTICA 5 – BARICENTRO BARICENTRO OU CENTRO DE GRAVIDADE Se analisarmos um corpo qualquer sob a ação da atração da gravidade, podemos subdividir este corpo em infinitas partes, de maneira que cada parte tenha um infinitesimal de peso. A soma dos pesos infinitesimais de todas essas partes, ou seja, a resultante desses pesos, o peso total do corpo e o seu ponto de aplicação denomina-se centro de gravidade ou baricentro desse corpo. Pode-se admitir que o corpo se comporta como se seu peso estivesse concentrado num único ponto, o baricentro. O Baricentro de qualquer corpo simétrico, de composição homogênea, coincide com seu centro geométrico. Quando um corpo é apoiado ou suspenso pelo seu baricentro, fica em equilíbrio em qualquer posição em que for abandonado, é o chamado equilíbrio indiferente. PROPRIEDADES DO BARICENTRO 1. Em todo corpo homogêneo que admite um eixo de simetria, o Baricentro obrigatoriamente se situa sobre este eixo. No caso de o corpo admitir dois ou mais eixos de simetria, o Baricentro estará localizado no cruzamento destes eixos. 2. O Baricentro pode corresponder a um ponto localizado fora da massa do corpo. 3. Qualquer que seja a posição ocupada pelo corpo, a linha de ação de seu peso passara pelo Baricentro. 4. Supondo o corpo situado em um campo gravitacional uniforme, o baricentro situa-se sempre na região do corpo aonde se concentra a maior parte de sua massa. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 34 OBJETIVO: a) Determinar o centro de massa de alguns objetos planos. MATERIAIS UTILIZADOS: a) Armação de acrílico com um fio de prumo; b) Quatro objetos planos de madeira; c) Folhas de sulfite; d) Tachinhas para fixação. MONTAGEM E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL a) Cortar a folha de sulfite pela metade; b) Colocar cada parte da folha sobre um objeto e unir a folha ao objeto utilizando tachinhas; c) Marcar o verso da folha de papel com o contorno da peça fixada; d) Prender o fio de prumo em uma das tachinhas, de modo que o fio de prumo fique rente a sua superfície; e) Marcar no objeto, assim que ele se estabilizar, a reta sugerida pelo fio de prumo; f) Repetir o procedimento do item d) para cada uma das tachinhas anexada, obtendo outras duas retas à superfície do objeto; g) Determinar o cruzamento dessas retas, onde se encontra o centro de massa, ou baricentro, do objeto. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 35 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA Faculdade de Engenharia – Física Aplicada Aluno: __________________________________________________ RA: __________ ATIVIDADE PRÁTICA 6 – EQUILÍBRIO DE FORÇAS EM SISTEMA DE POLIAS OBJETIVOS: a) Observar um sistema em equilíbrio contendo polias fixas e polias móveis; b) Determinar a influência da posição da polia fixa nos ângulos que definem o sistema em equilíbrio; c) Calcular o ângulo de equilíbrio em função da variação da massa do sistema. MATERIAIS UTILIZADOS: a) Estrutura metálica de apoio contendo suporte para acoplagem de polias fixas e polias móveis; b) Discos de metal para lastro; c) Transferidor; d) Cabos de fixação. MONTAGEM E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL – A. EFEITO DA POSIÇÃO DA POLIA FIXA: a) Posicionar a estrutura metálica anexando os discos metálicos ao sistema nas posições 1, 2 e 3, de acordo com a Figura 1 – Em equilíbrio; b) Medir com o transferidor o ângulo 𝛼 e 𝛽; c) Então, mover a polia fixa deslizante horizontalmente até uma distância d desejada do ponto inicial, medir novamente os ângulos 𝛼 e 𝛽; d) Mover novamente a polia fixa deslizante horizontalmente até uma outra distância d desejada do ponto inicial e medir novamente os ângulos 𝛼 e 𝛽; MONTAGEM E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL – B. EFEITO DA VARIAÇÃO DA MASSA: a) Na montagem anterior, fixar uma distância d qualquer e adicionar o disco extra H de massa conhecida MH na posição 3 – Figura 2; b) Medir com o transferidor os ângulos 𝛼 e 𝛽; c) Adicionar o disco extra (I) com massa (MI) na posição 3 e medir novamente os ângulos 𝛼 e 𝛽; d) Calcular as massas M1, M2 e M3 através das equações de estática do corpo material. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 36 A. ENSAIO 1 – EFEITO DA POSIÇÃO DA POLIA FIXA Figura 1: Esquema inicial do sistema de polias, em equilíbrio, para avaliação da posição da polia fixa. Tabela 1: Ângulos 𝛼 e 𝛽 das cordas com a horizontal para distâncias d variadas da polia fixa deslizante. 𝒅 (𝒄𝒎) 𝜶 (°) 𝜷 (°) 0 5 10 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 37 B. ENSAIO 2 – EFEITO DA VARIAÇÃO DA MASSA Figura 2: Esquema inicial do sistema de polias, em equilíbrio, para avaliação do efeito de uma nova massa em M3. Massa M: 𝑴𝑯 = 𝟓𝟕, 𝟏 𝒈 𝑴𝑰 = 𝟑𝟎, 𝟑 𝒈 Tabela 2: Ângulos 𝛼 e 𝛽 para o sistema operando com massas diferentes na posição 3. 𝒎𝒂𝒔𝒔𝒂 (𝒈) 𝜶 (°) 𝜷 (°) M3 inicial M3 + MH M3 + MH + MIFísica Aplicada – Apostila de Laboratório 38 Através das massas conhecidas de MH ou MI, dos ângulos 𝛼 e 𝛽 determinados experimentalmente e do balanço de forças teórico no equilíbrio, calcular as massas totais M1, M2 e M3. OBS: Escolha para os cálculos o equilíbrio gerado com a adição de MH ou com a adição de MH + MI. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 39 C. ANÁLISE DOS RESULTADOS / CONCLUSÃO C1. O que aconteceu com os ângulos 𝛼 e 𝛽, quando da mudança de posição da polia fixa deslizante? Explique. C2. O que aconteceu com os ângulos 𝛼 e 𝛽 ao se aumentar a massa total da posição 3? Explique. C3. As massas totais nas posições 1, 2 e 3 são apresentadas na tabela abaixo. Comente sobre as possíveis causas dos erros experimentais que levaram ao cálculo de valores de M1, M2 e M3 diferentes dos esperados segundo a tabela apresentada. Posição Massa (g) 1 (M1) 217,2 2 (M2) 199,5 3 (M3) 212,3 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 40 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA Faculdade de Engenharia – Física Aplicada Aluno: __________________________________________________ RA: __________ ATIVIDADE PRÁTICA 7 – ASSOCIAÇÃO DE POLIAS OBJETIVOS: a) Observar o princípio de funcionamento de polias fixas e polias móveis ; b) Determinar a força lida por um dinamômetro a partir da combinação de polias fixas e móveis. MATERIAIS UTILIZADOS: a) Estrutura metálica de apoio contendo suporte para acoplagem de polias fixas e polias móveis; b) Discos de metal para lastro; c) Cabos de fixação e um dinamômetro. MONTAGEM E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL – A. ESTÁTICA E DINÂMICA COM POLIAS: a) Posicionar a estrutura metálica de acordo com o esquema 1 – Em equilíbrio; b) Então inserir uma força (pequena massa) em um dos lados e observar o movimento – Esquema 2; c) Adicionar um novo lastro de massa semelhante em ambos os lados e repetir o procedimento do item b) – Esquema 3; d) Responder os questionamentos. MONTAGEM E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL – B. EFEITO DAS POLIAS MÓVEIS: a) Posicionar a estrutura metálica de acordo com os esquemas; b) Inicialmente, o esquema 4 deverá ser montado utilizando todos os lastros disponíveis; c) Realizar a leitura do dinamômetro para o esquema 4; d) Então, montar o esquema 5 e realizar a leitura do dinamômetro para o esquema 5; e) Repetir o procedimento até o esquema 8, sempre realizando as leituras no dinamômetro para cada nova configuração. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 41 A. ENSAIO 1 – ESTÁTICA E DINÂMICA COM POLIAS ESQUEMA 1 ESQUEMA 2 ESQUEMA 3 Responda: Ao inserir uma força em um dos lados da estrutura em repouso, apreciou-se a movimentação dos lastros em sentidos contrários. Esse movimento pode ser classificado como MU ou MUV? Justifique sua resposta, classificando de forma completa o tipo de movimento observado. Ao se adicionar um novo lastro em cada um dos lados da polia, um novo equilíbrio foi gerado. No entanto, ao realizar a manobra anterior (provocar o movimento pela inserção de uma força externa) algumas diferenças foram observadas. Quais? Física Aplicada – Apostila de Laboratório 42 B. ENSAIO 3 – EFEITO DAS POLIAS MÓVEIS ESQUEMA 4 ESQUEMA 5 ESQUEMA 6 ESQUEMA 7 ESQUEMA 8 Complete a tabela 1 com os dados obtidos experimentalmente para a força lida no dinamômetro: 𝒎𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒍𝒂𝒔𝒕𝒓𝒐𝒔 = 𝟑𝟑𝟐, 𝟒 𝒈 Tabela 1: Efeito das polias móveis no levantamento de cargas. Esquema 𝑭 (𝑵) 4 5 6 7 8 ATENÇÃO: 𝐹𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 . 𝑑𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑡𝑟𝑜 . 𝑑𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 43 C. CÁLCULOS TEÓRICOS Calcule através do balanço de forças o valor esperado de leitura do dinamômetro, conforme o exemplo. 𝐹𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 . 𝑑𝑚𝑎𝑖𝑜𝑟 = 𝑃𝑙𝑎𝑠𝑡𝑟𝑜 . 𝑑𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟 𝐹𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 . 6 = (𝑚𝑙𝑎𝑠𝑡𝑟𝑜 . 𝑔). 3 𝐹𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 . 6 = (0,3324 . 9,81). 3 𝐹𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 . 6 = (0,3324 . 9,81). 3 𝐹𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚ô𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 = 1,630 𝑁 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 44 D. ANÁLISE DOS RESULTADOS / CONCLUSÃO D1. Quais os principais benefícios das polias móveis e das polias fixas em um sistema de levantamento de cargas? D2. Segundo a teoria, as polias móveis dividem o peso da carga pela metade. No entanto, o valor lido no dinamômetro não demonstrou isso, apontando valores ligeiramente diferentes daqueles esperados. A que se deve essa diferença? D3. Calcule a redução do esforço do sistema quando da utilização das polias móveis. % 𝑟𝑒𝑑𝑢çã𝑜 = 100 − 𝐹𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 8 . 100 𝐹𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 4 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 45 UNIVERSIDADE SANTA CECÍLIA Faculdade de Engenharia – Física Aplicada Aluno: __________________________________________________ RA: __________ ATIVIDADE PRÁTICA 8 – EQUILÍBRIO DO CORPO EXTENSO OBJETIVOS: a) Observar os princípios do equilíbrio de um corpo extenso; b) Utilizar corretamente um paquímetro ; c) Compreender o conceito de densidade de um material; d) Mensurar com a utilização do paquímetro e o conceito de densidade a massa de um disco metálico; e) Calcular de forma teórica a posição desse disco em um sistema de alavanca para que haja o equilíbrio do corpo extenso; f) Determinar experimentalmente a posição do disco no sistema e comparar com o cálculo teórico. MATERIAIS UTILIZADOS: a) Conjunto formado por um apoio fixo e um corpo extenso dotado de lastros pré estabelecidos; b) Um disco de metal extra maciço com massa desconhecida; MONTAGEM E PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: Parte A – Paquímetro a) Manipular o equipamento com cuidado para não haver quedas ou danos, sempre o posicionando de forma a permitir uma leitura frontal e na linha dos olhos (leituras em linha diagonal sempre apresentam erro); b) Posicionar o equipamento na peça de acordo com o tipo de medição desejada: externa, interna ou de profundidade. Observação: Para as orelhas ou encostos, a melhor precisão ocorre nas pontas; c) Realizar a medição e fixar a abertura do paquímetro com a trava para facilitar a leitura; d) Repetir o procedimento para garantir que a leitura foi feita corretamente; e) Para os exercícios propostos com desenhos, observar que o alinhamento do nônio ocorre na marcação circular em vermelho. f) Para o disco com marcação 𝐼, medir o diâmetro e a altura. g) Estimar o volume do disco com as dimensões coletadas e, a partir da densidade, calcular a massa. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 46 Parte B – Equilíbrio do Corpo Extenso a) Posicionar os lastros de 𝐴 a 𝐻 na estrutura da alavanca conforme indicado na Figura 1; b) Calcular a posição teórica do disco 𝐼 na estrutura para estabelecer o equilíbrio na alavanca; c) Determinar a posição experimental do disco 𝐼 através do deslocamento manual e sutil do disco 𝐼 na barra até que o equilíbrio seja alcançado. A. PAQUÍMETRO Em que: 1) Encostos 2) Orelhas 3) Haste de Profundidade 4) Escala inferior, graduada em cm ou mm 5) Escala superior, graduada em polegadas (in.) 6) Nônio ou Vernier inferior, graduado em mm 7) Nônio ou Vernier superior, graduado em polegadas (in.) 8)Trava Física Aplicada – Apostila de Laboratório 47 EXERCÍCIOS Realize a leitura indicada pelos paquímetros ilustrados. Leitura: ____________________________ Leitura: ____________________________ Leitura: ____________________________ Leitura: ____________________________ Leitura: ____________________________ Física Aplicada – Apostila de Laboratório 48 O QUE É DENSIDADE DE UM MATERIAL? A densidade (𝜌) é a relação existente entre a massa e o volume de um material, a uma dada pressão e temperatura. Na prática é a quantidade de massa que está contida em uma unidade de volume do material. 𝜌 = 𝑚 𝑉𝑜𝑙 𝑆𝐼: [ 𝑘𝑔 𝑚3 ] Gases por serem compressíveis têm o seu valor de densidade muito dependentes da temperatura e pressão, já sólidos maciços e líquidos, não compressíveis, possuem o valor de densidade praticamente constante para quaisquer temperatura e pressão (desde que não atinjam o ponto de evaporação/sublimação). Densidade do material do lastro: 𝝆𝒍𝒂𝒕ã𝒐 = 𝟖𝟕𝟒𝟎 𝒌𝒈 𝒎𝟑 QUAL A MASSA DO LASTRO EXTRA? Dado: 1 m = 100 cm = 1000 mm 𝑉𝑜𝑙𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 = 𝐴𝑏𝑎𝑠𝑒 . 𝑧 = ( 𝜋. 𝐷2 4 ) . 𝑧 = ( 𝜋. ___________2 4 ) . ______________ ⟹ 𝑉𝑜𝑙𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 = 𝑚 3 𝜌𝑙𝑎𝑡ã𝑜 = 𝑚𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 𝑉𝑜𝑙𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 ⟹ 𝑚𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 = 𝜌𝑙𝑎𝑡ã𝑜 . 𝑉𝑜𝑙𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 𝑚𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 = ________________ . _______________ ⟹ 𝑚𝑑𝑖𝑠𝑐𝑜 = 𝑘𝑔 Física Aplicada – Apostila de Laboratório 49 B. EQUILÍBRIO DO CORPO EXTENSO Estado Atual: Figura 1: Posicionamento de não equilíbrio do conjunto sem o posicionamento do lastro extra 𝐼. Estado Desejado: Figura 2: Posicionamento de equilíbrio do conjunto com o posicionamento do lastro extra 𝐼. Física Aplicada – Apostila de Laboratório 50 Através dos princípios do equilíbrio do corpo extenso, calcular a posição que deve ser fixado o disco metálico extra (lastro 𝐼) para se atingir o estado desejado de equilíbrio. Calcule também a reação vertical do apoio A. Considere a aceleração da gravidade como 9,81 m/s². Lastros Massa (g) Massa (kg) Peso (N) 𝑨 142,3 𝑩 130,0 𝑪 149,1 𝑫 102,9 𝑬 166,7 𝑭 74,5 𝑮 76,4 𝑯 89,2 𝑰 𝑷𝒊𝒏𝒐 𝑴𝒂𝒅𝒆𝒊𝒓𝒂 3,4 𝑩𝒂𝒓𝒓𝒂 347,1 SOMATÓRIA DAS FORÇAS NO EIXO Y: (CÁLCULO DA REAÇÃO VERTICAL EM A) SOMATÓRIA DOS MOMENTOS: (CÁLCULO DA DISTÂNCIA d TEÓRICA) Física Aplicada – Apostila de Laboratório 51 C. ANÁLISE DOS RESULTADOS / CONCLUSÃO C1. Qual a reação horizontal no apoio A? Explique. C2. Qual foi a distância experimental d do lastro extra 𝐼 para que o sistema atingisse o equilíbrio? Houve diferença entre o valor calculado e o valor experimental? Justifique sua resposta apontando as possíveis causas. C2. Caso, em ambos os lados, os lastros pudessem ser substituídos por apenas um com massa equivalente a soma das massas parciais (observe a figura abaixo), qual deveria ser o posicionamento dos lastros (distância d) para que a barra se mantivesse em equilíbrio? Observação: Considerar um Pino de madeira de cada lado da alavanca.
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