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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO BACHARELADO INTERDISCIPLINAR EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA FÍSICA EXPERIMENTAL I / NOTURNO TURMA: 02 EXPERIMENTO V: Roteiro V: Conservação da Energia Mecânica. Flavio Enzo Da Fonseca Coelho Leite-2017068409. São Luís – MA 06/11/2019 Flavio Enzo Da Fonseca Coelho Leite-2017068409. EXPERIMENTO V: ROTEIRO V: Conservação da Energia Mecânica. Relatório técnico apresentado como requisito parcial para obtenção de aprovação na disciplina Física Experimental II, no Curso de Bacharelado Interdisciplinar em Ciência e Tecnologia, na Universidade Federal do Maranhão. Prof. Dr. Igo Torres Lima. São Luís – MA 06/11/2019 SUMÁRIO: 1.0 INTRODUÇÃO..........................................................................3. 1.1 Objetivos.................................................................................3. 2.0 Fundamentação teórica..........................................................4. 2.1 Equipamentos e Componentes...............................................4. 3.0 Procedimento Experimental...................................................5. 4.0 Resultados e Discussão...........................6,7,8,9 e 10,11,12,13. 5.0 Questões Gerais..........................................................13,14,15. 6.0 Conclusão.............................................................................15. 7.0 Referências Bibliográficas.....................................................16. 1.0 INTRODUÇÃO: Nos anos de 1850 o inglês James P. Joule, estabelece relações de equivalências para as recém descobertas da energia mecânica e o calor. Tempos depois os sistemas de conservação de energia passaram a ser considerados como um dos princípios fundamentais da física. Tal avanço se deve a variados trabalhos de pesquisadores que contribuíram de diversas maneiras para as teorias e hipóteses elaboradas em relação a energia mecânica. Existem sistemas que não interagem com nenhuma vizinhança que são ditos sistemas físicos fechados ou isolados resumindo-se, um sistema físico isolado é tratado de forma que ele é o universo. Isso não é nenhuma fantasia, pois sistemas que interagem fracamente com o ambiente e podem manter certas propriedades por um tempo razoável podem ser estudados como um sistema isolado, por exemplo, o café quente dentro de uma garrafa térmica. Para sistemas como esse nós temos uma lei análoga com a lei de Lavoisier que é: “A energia total de um sistema físico isolado é uma quantidade conservada.” Ao analisar um sistema conservatório, pode-se perceber diversas transformações de energia, onde não há forças dissipativas externas agindo, a energia mecânica é sempre constante. Basicamente, isso se refere a capacidade da energia potencial de um corpo se transformar em energia cinética, ou vice-versa, sem que haja o desperdício. Nesta prática consideraremos as leis de conservação da energia mecânica para uma bola que está parada sobre um plano inclinado há uma distância h da superfície da terra. Então esse corpo tem energia cinética nula, porém tem associado a ela uma energia potencial diferente de zero. Agora largamos a bola e a deixamos em queda livre (supondo que não há atrito com o ar), quando o corpo atinge o chão sua energia potencial é nula, pois não há diferença de altura h do corpo com relação à superfície da terra, então consequentemente a bola ao se mover no plano inclinado ela ganha velocidade, sendo assim houve um aumento de sua energia cinética. Para a situação da bola no plano inclinado, temos: A Equação da energia cinética (K) é: Quando analisamos o sistema, vemos que esta última equação está associada a forças conservativas de diversas origens, e sua formula depende da natureza da força elástica: E no conceito conservação de energia relacionado com a gravidade, temos: 𝑈p = 𝑚𝑔ℎ Para os Cálculos da média e Desvio padrão, temos: 1.1 Objetivos: O experimento de Conservação da Energia Mecânica, tem por objetivo levar o aluno a analisar o experimento e estudar cada medida que foi tirada cuidadosamente, calculando os erros e os desvios da média para cada ângulo diferente, fazendo com o que o princípio da conservação da energia mecânica seja absorvido, através da prática para treinar aquilo que foi apresentado na teoria e assim apresentar as conclusões acerca do experimento e para cada ângulo o que foi observado no seu alcance, tempo, distância e velocidade, relacionando-se assim todos os conhecimentos anteriores estudados em sala e apresentados nos relatórios. 2.0 Equipamentos e Componentes: ●Réguas: ●Fita métrica: ●Sensor Digital: ●Plano Inclinado com Ajuste irregular: ●Esfera. 2.1 Fundamentação Teórica: A conservação de energia mecânica é igual a soma da energia potencial e cinética que atua sobre um corpo, em qualquer situação em que haja movimento o ganho de velocidade, implicará no ganho de energia em um corpo que o fará se deslocar obtendo energia cinética, segundo Haliiday, “Interpretamos a Energia cinética de um corpo com a capacidade que ele possui em realizar trabalho em virtude do seu movimento”. Neste caso, se a partícula, sob ação de uma ou mais forças, retorna á sua posição inicial com energia cinética maior ou menor que a original, isso significa que, em um percurso fechado, sua capacidade de realizar trabalho foi modificada. Assim podemos dizer que a capacidade de realizar trabalho não foi conservada e pelo menos umas forças atuantes não é conservativa. Mas neste experimento, levamos em conta as forças elástica e gravitacional que se relacionam diretamente com a conservação de energia mecânica que é a soma de todas as energias que atuam no corpo: Em = U+ k. Na energia potencial gravitacional é uma força conservativa, pois se lançarmos um corpo verticalmente para cima, desprezando a resistência do ar, ele retornará a nossa mão com a mesma energia cinética que foi lançada e no caso da energia potencial elástica ela é produzida pela interação dos corpos, levando em consideração o atrito e a situação de cada objeto que está em atrito dinâmico. 3.0 Procedimento Experimental: Inicialmente, para o experimento de conservação da energia mecânica foi necessário a separação de cada material, para anotar os dados no sensor, analisar a trajetória da bola no plano vertical irregular e ajustar o ângulo observando a diferença de valores que existem entre cada ângulo e assim comparar os erros médios e os desvios da média, bem como o alcance, a altura e a distância na qual a bola que foi abandonada de um certo ponto, passou a ganhar velocidade e descer acelerado até cair no papel que foi marcado registrando a sua posição, neste procedimento foi necessário ter cuidado com cada material disponibilizado, porque isso dificultaria sua análise e seu entendimento assim, até mesmo pelos dados utilizando assim os dois lados do papel para registrar a posição do projétil, através da prática foi possível tirar conclusões acerca da teoria possibilitando uma absorção mais coerente e coesa do assunto para o aluno. 4.0 Resultados e Discussões: 4.1 Tabela 1 (θ = 3°): Step m = 6,9, h = 6,4, H = 44,4, D = 58,5. A TA V0 V1 Vf T0 T1 Tf U0 U1 Uf E0 E1 Ef 1 14 0,4876 0 0,4876 0,9470 0 0,00602 0,09 0,0043 0,030 0 0,0043 0,036 0,000621 2 14,5 0,4621 0 0,4621 0,9470 0 0,00602 0,09 0,0043 0,030 0 0,0043 0,036 0,000621 3 14,5 0,3704 0 0,3704 0,9470 0 0,00602 0,09 0,0043 0,030 0 0,0043 0,036 0,000621 4 14 0,3531 0 0,3531 0,9470 0 0,00602 0,09 0,0043 0,030 0 0,0043 0,036 0,000621 5 14,5 0,3531 0 0,3531 0,9470 0 0,00602 0,09 0,0043 0,030 0 0,0043 0,036 0,000621 Média 14,3 0,40522 0 0,40522 0,9470 0 0,00602 0,09 0,0043 0,030 0 0,0043 0,036 0,000621 Desvio padrão(σ) 0,54 0,064 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Desvio padrão da Média(σ) 0,241 0,028 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 Incerteza padrão(σ) 0,490 0,167 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabela 2 (θ = 5°): Step m = 6,9, h = 9,4, H = 44,4, D = 58,5. A TA V0 V1 Vf T0 T1 Tf U0 U1 Uf E0 E1 Ef 1 20,5 0,2965 0 1,1447 3,24 0 0,0063 0,05 0,0063 0,030 0 0,0063 0,0363 0,086 2 20,4 0,3029 0 1,1447 3,24 0 0,0063 0,05 0,0063 0,030 0 0,0063 0,0363 0,086 3 20,4 0,3336 0 1,1447 3,24 0 0,0063 0,05 0,0063 0,030 0 0,0063 0,0363 0,086 4 20,4 0,3849 0 1,1447 3,24 0 0,0063 0,05 0,0063 0,030 0 0,0063 0,0363 0,086 5 20,5 0,3305 0 1,1447 3,24 0 0,0063 0,05 0,0063 0,030 0 0,0063 0,0363 0,086 Média 20,44 0,3276 0 1,1447 3,24 0 0,0063 0,05 0,0063 0,030 0 0,0063 0,0363 0,086 Desvio padrão(σ) 0,0036 0,03 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Desvio padrão da Média(σ) 0,00163 0,0134 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Incerteza padrão(σ) 0,0403 0,115 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabela 3 (θ = 7°): Step m = 6,9, h = 11,3, H = 44,4, D = 58,5. A TA V0 V1 Vf T0 T1 Tf U0 U1 Uf E0 E1 Ef 1 24 0,3401 0 1,25 3,30 0 0,0075 0,05 0,037 0,03 0 0,037 0,04 0,05 2 24,4 0,3199 0 1,25 3,30 0 0,0075 0,05 0,037 0,03 0 0,037 0,04 0,05 3 24,3 0,3222 0 1,25 3,30 0 0,0075 0,05 0,037 0,03 0 0,037 0,04 0,05 4 24,4 0,3222 0 1,25 3,30 0 0,0075 0,05 0,037 0,03 0 0,037 0,04 0,05 5 24,1 0,3221 0 1,25 3,30 0 0,0075 0,05 0,037 0,03 0 0,037 0,04 0,05 Média 24,24 0,3253 0 1,25 3,30 0 0,0075 0,05 0,037 0,03 0 0,037 0,04 0,05 Desvio padrão(σ) 0,329 0,0083 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Desvio padrão da Média(σ) 0,147 0,00371 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Incerteza padrão(σ) 0,383 0,0609 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabela 4 (θ = 9°): Step m = 6,9, h = 13,5, H = 44,4, D = 58,5. A TA V0 V1 Vf T0 T1 Tf U0 U1 Uf E0 E1 Ef 1 26,5 0,3940 0 1,37 2,84 0 0,00906 0,0389 0 0,03 0 0,037 0,04 0,05 2 26 0,2977 0 1,37 2,84 0 0,00906 0,0389 0 0,03 0 0,037 0,04 0,05 3 26,2 0,3006 0 1,37 2,84 0 0,00906 0,0389 0 0,03 0 0,037 0,04 0,05 4 25,9 0,2968 0 1,37 2,84 0 0,00906 0,0389 0 0,03 0 0,037 0,04 0,05 5 26 0,2993 0 1,37 2,84 0 0,00906 0,0389 0 0,03 0 0,037 0,04 0,05 Média 26.12 0,3176 0 1,37 2,84 0 0,00906 0,0389 0 0,03 0 0,037 0,04 0,05 Desvio padrão(σ) 0,083 0,000792 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Desvio padrão da Média(σ) 0,037 0,000354 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Incerteza padrão(σ) 0,192 0,0188 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabela 5 (θ=11°): Step m = 6,9, h = 15,5, H = 44,4, D = 58,5. A TA V0 V1 Vf T0 T1 Tf U0 U1 Uf E0 E1 Ef 1 29 0,1674 0 1,47 3,42 0 0,010 0,056 0,040 0,010 0 0,042 0,020 0,055 2 29,2 0,2832 0 1,47 3,42 0 0,010 0,056 0,040 0,010 0 0,042 0,020 0,055 3 29,1 0,2827 0 1,47 3,42 0 0,010 0,056 0,040 0,010 0 0,042 0,020 0,055 4 29 0,2814 0 1,47 3,42 0 0,010 0,056 0,040 0,010 0 0,042 0,020 0,055 5 29,1 0,2837 0 1,47 3,42 0 0,010 0,056 0,040 0,010 0 0,042 0,020 0,055 Média 29,08 0,2596 0 1,47 3,42 0 0,010 0,056 0,040 0,010 0 0,042 0,020 0,055 Desvio padrão(σ) 0,00012 0,0021 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Desvio padrão da Média(σ) 0,0357 0,0357 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Incerteza padrão(σ) 0,1889 0,169 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabela 6 (θ=13°): Step m = 6,9, h = 18, H = 44,4, D = 58,5. A TA V0 V1 Vf T0 T1 Tf U0 U1 Uf E0 E1 Ef 1 30,5 0,2817 0 0,042 3,49 0 0,000085 0,058 0,042 0,012 0 0,042 0,05 0,058 2 30,6 0,2808 0 0,042 3,49 0 0,000085 0,058 0,042 0,012 0 0,042 0,05 0,058 3 30,5 0,2813 0 0,042 3,49 0 0,000085 0,058 0,042 0,012 0 0,042 0,05 0,058 4 30,7 0,2809 0 0,042 3,49 0 0,000085 0,058 0,042 0,012 0 0,042 0,05 0,058 5 30,6 0.2796 0 0,042 3,49 0 0,000085 0,058 0,042 0,012 0 0,042 0,05 0,058 Média 30,58 0,2808 0 0,042 3,49 0 0,000085 0,058 0,042 0,012 0 0,042 0,058 Desvio padrão(σ) 0,083 0,000792 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Desvio padrão da Média(σ) 0,037 0,000354 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Incerteza padrão(σ) 0,192 0,188 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4.7 Tabela 7 (Valores médios das propriedades): Ө A TA V1 Vf T1 Tf U0 Uf E0 E1 Ef Sen(2Ө) 3° 0,014 0,021 0,9470 4,49 6,02x 0,05 4,3x 0 4,3x 0,0365 6,21x 0,1045 5° 3,54 0,028 1,1477 3,24 6,3x 0,039 6,3x 0 6,3x 0,2210 0,086 0,173 7° 0,074 0,0346 1,25 3,30 7,5x 0,05 0,037 0 0,037 0,04 0,05 0,2414 9° 0,0807 0,049 1,37 2,84 9,06x 0,0389 0,039 0 0,039 0,0346 0,039 0,3040 11° 0,1088 0,059 1,47 3,42 0,010 0,056 0,040 0 0,040 0,020 0,056 0,3746 13° 0,1340 0,0631 0,042 3,49 8,5x 0,058 0,042 0 0,042 0,058 0,058 0,4383 Gráfico 1: Gráfico 2: Gráfico 3: Gráfico 4: Gráfico 5: Gráfico 6: Item C: (Coeficiente de Inclinação da reta:) 4.8 Tabela 8(Velocidades no ponto P1): Velocidade 3° 5° 7° 9° 11° 13° V1 1,6090 2,3813 2,9818 3,2217 3,7471 4,1226 V1 0,9470 3,1477 1,2500 1,3700 3,4200 3,4900 ∆V1 0,662 1,6636 1,6418 1,8317 0,3271 0,6326 5.0 Questões Gerais: 5.1 O alcance calculado para o ângulo Ө = 7°, influencia os cálculos da velocidade ,da energia cinética realizada pelo corpo em movimento e ao abandonar sua posição (a bola) e deslizar sobre o plano com ajuste irregular ele ganha energia até o ponto em que cai no papel, experimentalmente podemos notar que que o alcance da bola no papel foi aumentando a medida que aumentávamos o ângulo de inclinação, assim como sua velocidade e energia que era influenciada tanto pela distância quando pelo ângulo, pois quando aumentávamos o ângulo a altura ou seja o deslocamento da bola do plano até o papel também aumentava e foi possível concluir isso através da análise do alcance da bola no experimento para cada caso. 5.2 Para o coeficiente angular da reta, utilizou-se uma função linear para cada ângulo no experimento que é a tangente do ângulo em cada caso e observou-se que a medida que o ângulo era maior seus valores também eram maiores como aconteceu no experimento em relação a sua altura e seu alcance, neste caso temos uma influência da energia potencial gravitacional, quando o corpo caia de uma certa altura ele tinha o mesmo alcance não importasse o ponto de onde foi abandonado, mas sim o ângulo que influencia diretamente na construção do gráfico e nos valores obtidos. 5.3 Não, pois através da analise das tabelas foi possível observar a diferença entre os valores da energia mecânica total que é a soma da energia cinética com a energia potencial gravitacional e através do cálculo dessas duas energias, encontramos a força de resistência do ar atuando como força dissipativa do movimento e é possível concluir isso pela diferença de altura no qual a bola era abandonada no plano, uma vez que sua altura aumentava a medida que se aumenta o ângulo e por essa interferência o movimento não se conserva e não pode ser caracterizado como um movimento onde houve conservação de energia. 5.4 A energia mecânica é a capacidade que um corpo tem de produzir trabalho, sendo a energia mecânica total de um corpo se da pela soma da energia cinética, com a energia potencial elástica ou energia potencial gravitacional, no experimento em questão vimos que a força de atrito pode sim atuar no sistema como uma força dissipativa que é contrária ao movimento pois é uma força não conservativa, em alguns casos levando em consideração os tempos de cada ângulos, obtivemos tempos diferentes para o deslocamento da bola sobre o plano e isso se da pela força de atrito que influenciou o movimento da bola , assim como a média do tempo, os desvios, o cálculo da velocidade, concluindo-seassim que a força de atrito pode atuar como força dissipativa e influenciar todo o movimento em questão. 5.5 Neste experimento, foi possível concluir que que onde não há a atuação de forças externas (como o atrito e a resistência do ar), a energia mecânica sempre se conserva. Entretanto, a medida que aumentávamos o ângulo de inclinação para medir o tempo, vimos que isto impactou nos valores da energia mecânica conservativa e que quanto maior a altura mais a bola descia com velocidade, assim como possuía também maior alcance e se considerarmos dois instantes, em que a bola deslizou sobre o plano, onde em um momento ela estava a uma certa altura com uma certa velocidade, e em outro momento ele está em uma outra altura e velocidade. Em cada um desses instantes, o corpo tem valores diferentes de energias cinética e potencial gravitacional. Porém, a soma das energias nos dois instantes terá o mesmo valor, ou seja, a energia mecânica que se conservou durante todo o percurso. Então podemos concluir, assim que a resistência do ar não teve tanta influência na dissipação de energia mecânica da bola quanto a força de atrito que fez com que o tempo do deslocamento da bola fosse diferente, impactando todo o experimento. 5.6 No caso de a esfera tiver uma massa maior, a velocidade e o alcance da bola seriam maiores, pois aumentando seu peso, ao abandonar a bola sobre o plano inclinado teríamos ganho de energia cinética e potencial como a energia potencial que iria influenciar o alcance da bola no papel e então teríamos maiores valores em todos os casos e isto também iria influenciar tanto no movimento oblíquo que se relaciona com a resistência do ar, quanto no movimento retilíneo uniforme realizado pela bola no plano inclinado implicando assim na força de atrito da bola com o sistema. 6.0 Conclusão: A conservação de Energia mecânica é um experimento que precisa de todos os conhecimentos já vistos neste semestre, pois ele relaciona movimento retilíneo uniforme e movimento oblíquo, na trajetória da bola, foi possível perceber que a altura influenciou os valores do alcance do projétil bem como sua velocidade e sua energia mecânica total, através do experimento conseguimos analisar como esses conhecimentos se relacionam entre si e que influência geraram nos cálculos obtidos, assim podendo entender em quais situações o movimento se conserva e o porque disto, porque não houve influência de forças dissipativas e também aqueles em que não há conservação de energia mecânica, pela interferência de forças externas que influenciaram no deslocamento do projétil e no alcance encontrado, assim podemos concluir que este experimento foi necessário para entender como funciona as leis da energia mecânica, suas grandezas, suas relações com a velocidade, altura e deslocamento em cada corpo que tem a capacidade de realizar trabalho. 7.0 Referências Bibliográficas: https://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/forca-resistencia-ar.htm https://brasilescola.uol.com.br/fisica/forcas-conservativas-forcas-dissipativas.htm https://www.todamateria.com.br/energia-mecanica/ Gráfico do Alcance em função do Sen(2Ө): Alcance 14,3 20,44 24,24 26.12 29,08 30,58 0 0.1045 0.17299999999999999 0.2414 0.30399999999999999 0.37459999999999999 0.43830000000000002 Gráfico do Ta em função do sen(Ө): ta 0,40522 0,3276 0,3253 0,3176 0,2596 0,280 8 0 5.1999999999999998E-2 8.6999999999999994E-2 0.121 0.156 0.1908 0.22489999999999999 Gráfico de T1 em Função da H: T1 0,00602 0,0063 0,0075 0,00906 0,01 0,000085 0 6.4 9.4 11.3 13.5 15.5 18 Gráfico de E1 em função E0 E1 0,036 0,0363 0,04 0,04 0,02 0,055 0 4.3E-3 6.3E-3 3.6999999999999998E-2 3.6999999999999998E-2 4.2000000000000003E-2 4.2000000000000003E-2 Gráfico de Ef em função de E0: Ef 0,000621 0,086 0,05 0,05 0,055 0,058 0 4.3E-3 6.3E-3 3.6999999999999998E-2 3.6999999999999998E-2 4.2000000000000003E-2 4.2000000000000003E-2 Gráfico de Ef em função de E1: Ef 0,000621 0,086 0,05 0,05 0,055 0,058 0 4.3E-3 6.3E-3 3.6999999999999998E-2 3.6999999999999998E-2 4.2000000000000003E-2 4.2000000000000003E-2 Coeficiente de Inclinação da reta para cada ângulo: Ângulo 3° 5° 7° 9° 11° 13° 0 5.1999999999999998E-2 8.6999999999999994E-2 0.122 0.158 0.19400000000000001 0.23
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