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São José dos Campos, 27 de abril de 2017 Universidade Federal de São Paulo – UNIFESP Campus: Parque Tecnológico – São José dos Campos Instituto de Ciência e Tecnologia – ICT Bacharelado em Ciência e Tecnologia – BCT Laboratório de Fenômenos Mecânicos EQUILÍBRIO ESTÁTICO DE FORÇAS Profª. Drª. Thaciana Malaspina Carlos Gustavo Piva de Moraes RA: 112184 Maikon Stefano dos Santos RA: 112232 Matheus Domingues Silva RA:1112240 thaciana Nota Divisão de tarefas: OK capa: OK índice: OK Resumo: podia ser melhor. Abstract: could be better ;) Introdução: boa Objetivos: OK Materiais: OK Procedimento: OK Resultados e Discussões: bom Conclusão: bom Referências: OK NOTA: 9.0 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 4 1.1 Equilíbrio estático ............................................................................................ 4 1.2 Terceira Lei de Newton ................................................................................... 4 1.3 Equilíbrio em um ponto material .................................................................... 5 1.4 Equações de Equilíbrio .................................................................................... 6 1.5 Curiosidades de dois equipamentos utilizados no experimento que se destacaram...................................................................................................................8 2. OBJETIVO ......................................................................................................... 10 3. PARTE EXPERIMENTAL ............................................................................... 10 3.1. Materiais Utilizados .............................................................................. 10 3.2. Procedimento Experimental ................................................................. 11 3.2.1 Caracterização dos instrumentos de medição ..................................... 11 3.2.2 Leitura das forças .............................................................................. 11 3.2.3 Montagem das Treliças ...................................................................... 12 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................ 13 4.1 Analisando e Justificando as forças encontradas ....................... 13 4.2 Treliças......................................................................................... 15 4.3 Determinação das forças ............................................................. 17 5. CONCLUSÃO .................................................................................................... 20 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................. 21 RESUMO Neste experimento estudou-se principalmente o equilíbrio estático, o qual é definido como o arranjo de forças atuantes sobre determinado corpo em repouso de modo que a resultante dessas forças tenha módulo igual à zero e a terceira lei de Newton, a qual transmite a noção de que as forças são sempre interações entre dois corpos O experimento foi realizado em um painel de força, onde foram coletadas as forças em um dinamômetro, e para isso necessitou-se também do auxilio de uma régua milimetrada e um goniômetro. Para obtenção dos resultados, isto é, para comprovar os dados coletados, como por exemplo, das forças resultantes, foram usados artifícios trigonométricos para descobrir os valores dos ângulos na treliça utilizada no experimento, além de outros conhecimentos físicos e matemáticos. Palavras-chave: Equilíbrio estático, terceira lei de Newton, força resultante, interação de duas forças. ABSTRACT In this experiment we have studied mainly the static equilibrium, which is defined as the arrangement of forces acting on a particular body at rest so that the resultant of these forces has a module equal to zero and Newton's third law, which conveys the notion of that forces are always interactions between two bodies. The experiment was carried out in a force panel, where forces were collected in a dynamometer, and for this we also needed the aid of a millimeter ruler and a goniometer. In order to obtain the results, ie to verify the collected data, as for example, of the resulting forces, trigonometric artifacts were used to discover the values of the angles in the trellis used in the experiment, besides other physical and mathematical knowledge. Keywords: Static equilibrium, Newton's third law, resulting force, interaction of two forces. 4 1. INTRODUÇÃO 1.1 Equilíbrio estático Na física clássica, define-se equilíbrio estático como o arranjo de forças atuantes sobre determinado corpo em repouso de modo que a resultante dessas forças tenha módulo igual a zero. Ou seja, todo e qualquer corpo estará parado (nesse caso, parado no sentido de ausente de movimento, acelerado ou não) em relação a um ponto referencial se, e somente se, as resultantes das forças aplicadas sobre ele forem nulas. No cotidiano, basicamente tudo que está em repouso perante os olhos (nosso ponto referencial padrão) está em equilíbrio estático, como: um aparelho de TV sobre uma estante, uma cadeira, um livro sobre uma mesa. Caso alguma força aja sobre esses objetos, de modo que vença quaisquer obstáculos contrários – como a força de atrito-, a força resultante final será diferente de zero e o corpo entrará em movimento. A terceira lei de Newton exemplifica muito bem o motivo de esses corpos estarem em equilíbrio estático, através dos pares de ação e reação. 1 1.2 Terceira Lei de Newton A terceira lei de Newton transmite a noção de que as forças são sempre interações entre dois corpos: se dois corpos interagem, a força FAB exercida pelo corpo A sobre o corpo B é igual em módulo, mas oposta em direção à força FBA exercida pelo corpo B sobre o corpo A, como expressada na equação 1. (1) Quando é importante designar forças como interações entre dois corpos, utilizaremos esta notação subscrita em que FAB significa “a força exercida por A sobre B”. A terceira lei, ilustrada na figura 1, é equivalente a afirmar que as forças sempre ocorrem em pares, ou que uma força única isolada não pode existir. A força que o corpo A exerce sobre o corpo B pode ser chamada de força de ação e a força do corpo B sobre o corpo A pode ser chamada de força de reação. A força de ação é igual em módulo à força de reação e oposta em direção. Em todos os casos, as forças de ação e de reação agem sobre corpos diferentes e têm de ser do mesmo tipo. 2 5 Figura 1 - Ilustração de dois corpos que possuem pares de ação e reação. Por exemplo, os foguetes, que para entrar em órbita aplica uma constante ação de forças, sobre o ar atmosférico, e em reação a esta força o foguete é impulsionado para cima. Note que quando já em órbita o foguete só necessita de propulsão para alterar sua rota, pois como prevê a 1º Lei de Newton o corpo irá permanecer em movimento, para mudar sua rota no espaço o foguete aplica uma força para o lado oposto que necessita ir, e pela 3º Lei de Newton é direcionado para o outro lado. O exemplo está ilustrado na figura 2. 3 Figura 2 - Um foguete aplicando uma constante ação de forças. 1.3 Equilíbrio em um ponto material Um ponto material é apenas uma abstração para dimensões não consideráveis. Portanto, se um diagrama de forças agirem sobre esse ponto, o mesmo não irá interferir na força resultante final, já que qualquer força aplicada sobre ele estará localizada “no mesmo lugar” – não haverá espaço entre as forças atuantes. Observe o seguinte diagrama de forças, ilustrado na figura 3. 6 Figura 3 - Representaçãode um diagrama de forças. Considerando-se que |F2|≠|F1|≠|F3|, o diagrama só estará em equilíbrio se a soma dessas forças (retirando-se o módulo) for zero. E, como a força F1 está inclinada sobre determinado ângulo com a horizontal, deve-se decompô-la em forças vetoriais no campo das ordenadas (y) e das abscissas (x). Adotando-se o referencial positivo para cima e para a direita, o equilíbrio estático só será verdadeiro se as equações 2 e 3 forem satisfeitas: ¹ (2) (3) 1.4 Equações de Equilíbrio Sabemos que a resultante livre é igual à soma das forças componentes do sistema e que o momento resultante é igual à soma dos momentos das forças componentes do sistema. Consequentemente as duas condições de equilíbrio nos conduzem à duas equações vetoriais de equilíbrio, ilustradas pelas equações 4, 5, 6 e 7. Condições de equilíbrio (4) (5) Equações de equilíbrio = 0 (6) = 0 (7) Onde RL é a resultante livre, M é o momento, Fi são as diversas forças componentes do sistema e consequentemente MFi são os momentos dessas forças. 7 Quando as forças forem coplanares, isto é, quando estivermos trabalhando em duas dimensões (2D), elas estarão situadas no plano xOy e admitem projeções nos eixos Ox e Oy. Os momentos destas forças em relação a um ponto O do plano serão vetores na direção do eixo Oz. Projetando as equações vetoriais de equilíbrio nos eixos coordenados teremos 3 equações escalares, todas estão representadas na figura 4 e suas equações estão representadas abaixo, pelas equações 8, 9 e 10: Figura 4 - Figura 4. Representação das forças coplanares em duas dimensões (8) (9) (10) As equações escalares de equilíbrio quando as forças não forem coplanares, isto é, quando estivermos trabalhando em três dimensões (3D), admitem projeções nos eixos Ox, Oy e Oz Os momentos destas forças em relação a um ponto O qualquer serão vetores que admitirão projeções nos eixos Ox, Oy e Oz. Projetando as equações vetoriais de equilíbrio nos eixos coordenados teremos um total de 6 equações escalares, representadas pelas equações 11, 12, 13 e 14. (8) (9) (11) (12) (13) (14) 8 A figura 5 nos mostra as projeções de um vetor v nos eixos coordenados podendo ser este vetor uma força ou o momento de uma força em relação a um ponto. 4 Figura 5 - Projeções de um vetor v nos eixos coordenados. 1.5 Curiosidades de dois equipamentos utilizados no experimento que se destacaram Os materiais utilizados no experimento são apenas alguns dentre vários que pertencem a uma coletânea completa que possui diversas funções, esse conjunto é fornecido pela Cidepe, e se encontra em maiores detalhes logo abaixo. Conjunto de mecânica com sensores e software EQ804A (figura 6) Função: Destinado ao estudo dos seguintes tópicos: mecânica da partícula [cinemática da partícula (movimento em uma dimensão, MRU e MRUA; movimento em duas dimensões)] dinâmica da partícula (equilíbrio, movimento em uma dimensão, movimento em duas dimensões, atritos, trabalho e energia, vantagem mecânica); princípios de conservação (conservação da energia mecânica, conservação da quantidade de movimento);choques (elástico); mecânica do corpo rígido [rotação do corpo rígido (cinemática das rotações, raio de giração), dinâmica das rotações (equilíbrio do corpo rígido)]; mecânica dos fluidos [hidrostática (princípio de Arquimedes)]; experimentos com aquisição de dados. 5 Observação: Este equipamento pode ser acoplado tanto às interfaces CidepeLab como aos multicronômetros de tratamento de dados, rolagem e 5 entradas. 5 Informação adicional: Tabela 1 – Identificação do conjunto. Marca Cidepe Código Identificador (SKU) 48660 9 Figura 6 - Conjunto de mecânica EQ804A completo. 10 2. OBJETIVO O presente relatório teve como principal finalidade a realização do cálculo para obtenção do valor da força resultante que surge da interação de duas outras forças coplanares em diferentes situações em que uma massa é suspensa por cordas, onde é necessária sua decomposição nos eixos ortogonais (demonstrando a natureza vetorial de uma força). Pretende-se com a prática uma compreensão mais profunda do conceito de equilíbrio estático. 3. PARTE EXPERIMENTAL Para a correta execução do presente experimento alguns materiais-equipamentos foram extremamente necessários durante a coleta dos dados, são eles: 3.1. Materiais Utilizados a) Painel de força; b) Escala angular (transferidor) com espelho anular; c) Dinamômetros; d) Fios com anéis nas extremidades; e) Massas acopláveis; f) Ganchos, parafusos e suportes. Todos estes materiais estão representados e identificados na figura 7, que segue logo abaixo. Figura 7 - Materiais e equipamentos importantes para o experimento. 11 3.2. Procedimento Experimental 3.2.1 Caracterização dos instrumentos de medição Observaram-se os instrumentos de medição e logo em seguida foram coletadas as informações como marca e o modelo, verificado se eram analógicos ou digitais, suas faixas nominais de operação e suas incertezas instrumentais, esses dados estão ilustrados na tabela 2. Tabela 2 - Caracterização dos instrumentos de medição. Instrumento Marca e Modelo Tipo (Ana/digt) Faixa nominal de operação Incerteza Régua Milimetrada Cidepe Analítica 0-350 mm 0,05 mm Dinamômetro Cidepe Analítico 0-2 N 0,02 N Goniômetro Cidepe Analítico 0º-90º 0,5º Fonte: site Cidepe [Ref. 6] 3.2.2 Leitura das forças Inicialmente foi medido e anotado o valor da força F fornecida pelo dinamômetro, para o gancho com dois pesos de 50 gramas, em três configurações distintas; sendo elas: i. Com o dinamômetro na posição unicamente horizontal, paralela ao eixo das coordenadas – denota-se essa medida ; ii. Com o dinamômetro na posição unicamente vertical, paralela ao eixo das abcissas – denota-se ; iii. Utiliza-se o goniômetro a fim de formar um ângulo de 45º com o dinamômetro – medida denotada por . 12 3.2.3 Montagem das Treliças Num primeiro momento foi realizada a montagem, no painel de forças, de uma treliça na qual os dois dinamômetros formam ângulos de 45º com o eixo (figura 8), o ajuste angular foi feito utilizando o goniômetro. Figura 8 - Painel de forças na formação da primeira treliça, onde os ângulos eram 45º. Já num segundo momento, também foi montado no painel de forças uma treliça em que o dinamômetro da direita forma um ângulo de 60º – tido como – com a horizontal e o dinamômetro da esquerda é posicionado num ângulo de 40º – denotado – com o eixo das abcissas (figura 9). Figura 9 - Painel de forças na formação da segunda treliça, onde os ângulos eram 60º e 40º. 13 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 Analisando e Justificando as forças encontradas Inicialemte foi realizada a determinação da força peso do objeto (massas) através da disposição do dinâmometro em várias posições, como já mencionado em 3.2.2. A primeira das posições executadas foi utilizando o dinamômetro na horizontal, tal como mostrado na figura 10. Figura 10 – Foto tirada no laboratório evidenciando o comportamento com o dinamômetro na posição horizontal (à esquerda) e o diagrama de forças para Fx, feito para essa posição (à direita). Como já era esperado, nenhum valor foi observado no dinamômetro, já que para essa configuração (onde o dinamômetro se encontra a 0º) a força peso (Fp) não possui componente horizontal, sendo, portanto Fx= 0; nulo. Fr = 0*cos (0º) + 0*sen (0º) Fr = 0,00 N Para uma segunda situação, onde o dinamômetro foi posicionado verticalmente, como mostra a figura 11, obteve-se um valor de 1,06 Newtons. Esse valor representa o valor da força peso de maneira integral, já que nessa configuração Fy é máximae igual a Fp. Figura 11 - Dinamômetro medindo a força peso integralmente (à esquerda) e o diagrama feito para essa situação (à direita). 14 Isso ocorre porque como o ângulo de inclinação do dinamômetro é 90º, logo cos (90º) = 0 e sen (90º) = 1; de forma que tem-se: Fr = Fx*cos (90º) + Fy*sen (90º) Fr = Fy Na terceira e ultima situação, o dinamômetro foi posicionado à 45º, como a figura 12 evidencia. Figura 12 - Dinamômetro medindo a força resultante da decomposição da Fp em duas componentes, Frx e Fry (à esquerda) e um diagrama feito para exemplificar melhor essa situação (à direita). O valor lido no dinamômetro nesse caso foi 0,38 Newtons. Percebe-se que o valor foi maior que na primeira situação e menor do que na segunda, isso se deve pelo fato de nesse tipo específico de layout a força resultante ser obtida através da decomposição vetorial da Fp em duas componentes [ou seja, Frx = P*cos (45º) e Fry = P*sem (45º)], pois agora nenhuma das duas serão nulas e nem máximas, e dessa forma contribuirão significativamente no valor de 0,38 lido no dinamômetro. Visando organizar e resumir melhor os dados, foi construída uma tabela com os valores aferidos, que podem ser encontrados na tabela 3. Tabela 3 - Valores registrados pelo dinamômetro nas diversas situações. Força ( ) 0,00 0,01 1,06 0,01 0,38 0,01 15 4.2 Treliças Antes de se calcular as forças resultantes nas treliças ou layouts 1 e 2 (figura 13), lançou-se mão de artifícios trigonométricos para determinar os valores reais dos ângulos nas treliças. Figura 13 - Layouts das treliças montadas; à esquerda é mostrada a treliça para ângulos iguais de 45º e à direita tem-se a treliça com ângulos de 60º e 40º. Representando os lados das treliças de acordo com a figura 14, inicia-se a análise das medidas desses lados utilizando geometria plana. Figura 14 - Lados e ângulos da treliça; etapa importante do trabalho. Na tabela abaixo se encontra todas as dimensões das duas treliças montadas, esses dados foram obtidos a partida da medida com a régua milimetrada durante a prática no laboratório. Tabela 4 - Medidas das laterais das treliças. Treliça 1 (mm) Treliça 2 (mm) 396 263 280 282 280 273 16 Sabe-se que por definição geométrica, tem-se quê: (15) Se o triângulo é retângulo e a relação pitagórica (equação 15) é válida e pode ser devidamente aplicada. (16) Se a lei dos cossenos (equação 17) é utilizada para descobrir o valor dos lados. (17) Verifica-se o primeiro triângulo, a fim de provar que ele é um triângulo retângulo, portanto temos: Aqui vale uma análise rápida, já que o valor encontrado pela equação de Pitágoras é exatamente a mesma medida em laboratório com o auxílio da régua milimetrada, provando, assim que a treliça um é um triângulo retângulo. Os ângulos “não retos” são mesmo de 45º, pois o valor dos lados dos catetos é o mesmo. Verifica-se agora o segundo triângulo, tendo em mente que ele não é um triângulo retângulo, usa-se da lei dos cossenos (equação 17) para verificar se o valor do lado oposto ao ângulo é mesmo 80º. Como o da lei dos cossenos é bem maior que o medido experimentalmente , (vide tabela 4) calcula-se novamente o valor dos ângulos utilizando a lei dos cossenos e a função arccos. Para 17 arccos Para arccos Para arccos Os novos valores de serão utilizados nas dissociações da treliça 2, dando uma maior precisão ao experimento, por se aproximarem dos valores reais dos ângulos do experimento laboratorial. 4.3 Determinação das forças Visando facilitar o entendimento foi construído um diagrama mostrando a configuração de onde serão extraídas informações e justificativas no cálculo das forças resultantes em cada treliça, esse diagrama segue na figura 15. Figura 15 - Diagrama de forças para F1 e F2 e suas decomposições planares ᵩ denotam os ângulos entre as forças e a horizontal. 18 Para a treliça do tipo 1, onde os ângulos eram ambos iguais a 45º (figura 13) obteve-se os seguintes valores para força, comprimento dos lados e angulação dos cabos (tabela 5), através da utilização do dinamômetro, régua e goniômetro, respectivamente. Tabela 5 - Dados coletados no dinamômetro, na régua e no goniômetro para a treliça 1. Força ( ) Medida ( ) Angulo (º) 0,74 0,01 280 0,5 45 0,74 0,01 280 0,5 45 Agora, realizando o somatório (equação 18) dessas componentes, levando em consideração os respectivos ângulos entre si encontra-se facilmente a força resultante para a treliça 1 (18) Plotando a tabela 6 de maneira análoga e calculando utilizando a mesma fórmula da equação 18, tem-se os resultados para a treliça 2. Tabela 6 - Dados coletados no dinamômetro, na régua e no goniômetro para a treliça 2. Força ( ) Medida ( ) Angulo (º) 0,78 0,01 274 0,5 60 0,54 0,01 282 0,5 63,5 19 Analisando primeiramente o valor da força resultante encontrada para a treliça 1 (ângulos de 45º) através dos cálculos tem-se 1,04 N, um valor muito próximo do medido com o dinamômetro em laboratório (prático) quando o mesmo se encontrava na vertical, sendo apenas 0,02 N menor. Quando restringimos nosso olhar somente para o valor da força das componentes percebemos uma diferença um tanto quanto menor em relação à 1,06 N, de cerca de 0,32 N, o que evidencia uma interessante relação; a decomposição das forças mantém o sistema equilibrado e ainda por cima partilha as cargas entre os dois cabos suspensores. Já o que aconteceu na treliça 2 pode ser justificado se mencionarmos a grande dificuldade que se verificou durante a montagem do layout, onde vários erros sistemáticos e laboratoriais podem ter influenciado as medidas. Nesse esquema a diferença entre as resultantes teóricas e prática foi de 0,24 N para mais. Pode-se dizer que além de erros experimentais, leitura incorreta do aparelho (paralaxe), e ainda há uma grande chance de terem sido desprezadas e desconsideradas forças e influências externas, como, resistência do ar, distensão plástica da mola do dinamômetro, etc. 20 5. CONCLUSÃO Ao final do presente experimento pôde-se concluir que a primeira lei de Newton é um ótimo modelo para explicar o equilíbrio estático de corpos providos de massa, já que várias suspeitas previamente postuladas na teoria realmente se confirmaram na prática, como a influência inexistente da componente Fx quando o ângulo do dinamômetro é 0º, equivalência entre Fy e Fp se o dinamômetro estiver na vertical e suas parcelas quando se encontra à 45º, todos esses eram resultados já eram esperados em função do arcabouço teórico adquirido ao longo dos anos no estudo da Física. De certa forma também se verifica relações importantes, principalmente na treliça 1, onde os valores prático e teórico se inter-relacionaram de maneira coerente; 1,06 N e 1,04 N, respectivamente. Esses conceitos são de extrema importância, pois mecanismos como elevadores em repouso num andar de um prédio, assim como diversos componentes estruturais encontrados na construção civil, dentre outros, seguem esses princípios básicos. A importância dos erros também foi ressaltada, já que se tornou crucial na justificação das discrepâncias identificadas entre o valor prático e teórico na treliça 2. 21 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] LIRA, Júlio César Lima. Equilíbrio Estático. Disponível em: <http://www.infoescola.com/fisica/equilibrio-estatico/>. Acessado em 22 de abril de 2017. [2] SERWAY, Raymond A; JÚNIOR, John W. Princípios de Física 1: Mecânica Clássica. Tradução da 3ª Edição Norte Americana. São Paulo. Editora Cengage Learning, 2009. [3] PORTO, Professor Deivd. As Leis de Newton no dia-dia. Disponível em: <http://professordeivdporto.blogspot.com.br/2009/10/as-leis-de-newton-no-dia-dia.html>. Acessado em 25 abril 2017. [4] Alfa Connection. Equilíbrio de um sistema de forças. Disponível em: <http://www.alfaconnection.pro.br/fisica/forcas/forcas-em-equilibrio/equilibrio-de-um- sistema-de-forcas/> Acessado em 24 de abril de 2017. [5] MogiGlass. Conjunto de mecânica com sensores e software EQ804A. Disponível em : <http://www.mogiglass.com.br/shop/material-didatico/conjuntos-de- fisica/conjunto-de-mecanica-c-sensores-e-software-eq804a.html#>. Acessado em 23 de abril de 2017. [6] Cidepe. Catálogo de produtos. Disponível em: <http://www.cidepe.com.br/index.php/br/produtos>. Acessado em 25 de abril de 2017. 22 Edição: Matheus Resumo e abstract: Maikon Introdução: Matheus e Maikon Objetivo: Matheus Parte experimental: Matheus e Carlos Resultados e discussão: Matheus, Carlos e Maikon. Conclusão: Matheus e Carlos Referências: Matheus.
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