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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE CIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATÓRIO DE FÍSICA EXPERIMENTAL PARA ENGENHARIA SEMESTRE 2020.1 PRÁTICA 07: LEI DE HOOKE (VIRTUAL) ALUNO: PAULO HENRIQUE MARQUES ALVES MATRÍCULA: 497040 CURSO: ENGENHARIA CIVIL TURMA: 6 A PROFESSOR: FRANCISCO DANIEL DE CARVALHO ROSA DATA E HORA DA REALIZAÇÃO DA PRÁTICA: 29/09/2020 ÀS 08:00h. 2 7.1 OBJETIVOS - Verificar a lei de Hooke. - Determinar a constante elástica de uma mola helicoidal. - Determinar o valor de uma massa desconhecida. - Determinar a aceleração da gravidade. 7.2 MATERIAL VIRTUAL - Molas cilíndricas em espiral (Mola 1, Mola 2 e Mola 3); - Massas aferidas (100 g, 150 g, 200 g, 250 g e 300 g); - Três Massas desconhecidas (menor, média e maior); - Régua. Para a realização do experimento virtual utilize o simulador: https://phet.colorado.edu/sims/html/masses-and-springs-basics/latest/masses-and-springs-ba- sics_pt_BR.html 7.3 INTRODUÇÃO De acordo com Molina et al. (2016) quando uma mola está sujeita a ação de uma força (F) comprimindo-a ou esticando-a, dizemos que a mola está sofrendo uma deformação (x), ou seja, está sofrendo um deslocamento em relação ao seu ponto de equilíbrio. Em reação a essa força causadora da deformação está a força elástica (𝐹𝑒𝑙), uma força restauradora que age na mesma direção, porém com sentido oposto ao deslocamento e a força F, tendendo a repor de volta a mola para sua posição de repouso, e com isso promover o equilíbrio do sistema nova- mente. Essa situação corrobora para que a mola acumule uma certa energia em potencial (elás- tica) que é capaz de gerar trabalho, tendo em vista o deslocamento e a força atuante. A rigidez de uma mola está relacionada com o valor de sua constante elástica (K) que por sua vez está vinculada as características da composição do material da mola. Basicamente a constante elástica da mola mede o quanto de força precisa ser aplicada sobre a mola para que esta sofra uma variação no seu comprimento (deformação), sendo a deformação da mola dire- tamente proporcional a força aplicada e inversamente proporcional a K e dessa forma, para uma maior deformação, dependendo de K, será necessária uma maior força aplicada sobre o sistema. Podemos concluir, portanto, que a rigidez de uma mola está diretamente proporcional a cons- tante elástica, ou seja, quanto maior o K, mais rígida é a mola e quanto menor o K, menos rígida é a mola, e, portanto, esta se deforma com maior facilidade. O contrário dessa situação se aplica para a elasticidade (MOLINA et al., 2016). 3 O cientista inglês do século XVII Robert Hooke estudou os comportamentos de elasti- cidade das molas junto as propriedades do fenômeno e no ano de 1660 apresentou uma nova lei da física que analisava as características elásticas dos corpos, que depois se tornou conhecida como lei de Hooke em sua homenagem. A lei de Hooke é definida por uma equação simples que é composta pelas grandezas força e deformação e pela constante elástica, sendo definida para uma força externa e para a força elástica (RAMALHO et al., 1997). Dessa forma, conforme Dias (2020) temos: Lei de Hooke para uma força externa que age no sistema da mola: 𝐹 = 𝑘 × 𝛥 𝑥 (7.3.1) Lei de Hooke para a força elástica (Fel): 𝐹 ⃗⃗ ⃗ = − 𝑘 × 𝛥 𝑥 (7.3.2) Figura 01: Ao apertarmos uma mola, podemos sentir uma força tentando recolocar a estrutura na sua posição anterior. Esta força, denominamos Força elástica. Fonte: Brasil Escola < https://brasilescola.uol.com.br/fisica/lei-de-hooke.htm > Figura 02: Robert Hooke, cientista inglês do século XVII. Um dos grandes nomes da física na idade moderna e na história da ciência, também promoveu grandes contribuições na evolução da microscopia, na invenção do barômetro, bem como em outras áreas do conhecimento. Fonte: Phys Org < https://phys.org/news/2015-02-law.html > 4 ⦁ Associação de molas em série e em paralelo. Em certas situações quando temos duas ou mais molas presas umas a outras, ou fixas em duas superfícies de forma que permaneçam dispostas em uma posição paralela, podemos substituir as duas molas por uma mola equivalente, ou seja, com uma constante elástica equi- valente 𝐾𝑒𝑞, que represente o conjunto anterior de molas. Para molas conectadas em sequência por suas extremidades, dizemos que estas molas estão em série, e nessa circunstância a força externa aplicada é distribuída para todo o sistema, porém a deformação para molas com cons- tantes K diferentes não será a mesma. Para molas fixas nas mesmas superfícies é definida que estas se encontram em paralelo. Já para esta situação, a força aplicada irá deformar o conjunto de molas de maneira igual (RAMALHO et al., 1997). Figura 03: Representação de associações de molas, em paralelo e em série, respectivamente. Fonte: Quero Bolsa <https://querobolsa.com.br/enem/fisica/forca-elastica> → Associação em série: Para se determinar a constante elástica equivalente do sistema formado por molas em série, podemos utilizar a lei de Hooke: 𝐹 = 𝐾 × 𝑋. Uma vez que as molas possuem deforma- ções distintas por uma mesma força F, podemos definir que a deformação equivalente é a soma das deformações e a força aplicada é a mesma (MOLINA et al., 2016). 𝐹𝑒𝑞 = 𝐹1 = 𝐹2 (7.3.3) 𝑋𝑒𝑞 = 𝑋1 + 𝑋2 (7.3.4) Por meio da Lei de Hooke: 𝐹𝑒𝑞 = 𝐾𝑒𝑞 × 𝑋𝑒𝑞 → 𝑋𝑒𝑞 = 𝐹𝑒𝑞 𝐾𝑒𝑞 (7.3.5) Uma vez que a força é a mesma para todos os pontos: 𝐹𝑒𝑞 𝐾𝑒𝑞 = 𝐹1 𝐾1 + 𝐹2 𝐾2 = 𝐹𝑒𝑞 𝐾1 + 𝐹𝑒𝑞 𝐾2 (7.3.6) Dividindo ambos os lados por 𝐹𝑒𝑞, temos: 1 𝐾𝑒𝑞 = 1 𝐾1 + 1 𝐾2 (7.3.7) 5 Para um sistema de molas ligadas em série: 1 𝐾𝑒𝑞 = 1 𝐾1 + 1 𝐾2 + 1 𝐾3 + 1 𝐾4 + ⋯+ 1 𝐾𝑛 (7.3.8) → Associação em Paralelo: Na associação de molas em paralelo, para uma força aplicada dividida sobre o sistema, as deformações das molas serão as mesmas. Dessa forma: 𝑋1 = 𝑋2 = 𝑋𝑒𝑞 (7.3.9) 𝐹1 + 𝐹2 = 𝐹𝑒𝑞 (7.3.10) Pela lei de Hooke: 𝐹𝑒𝑞 = 𝐾𝑒𝑞 × 𝑋𝑒𝑞; 𝐹1 = 𝐾1 × 𝑋1; 𝐹2 = 𝐾2 × 𝑋2 (7.3.11) Igualando: 𝐾𝑒𝑞 × 𝑋𝑒𝑞 = 𝐾1 × 𝑋1 + 𝐾2 × 𝑋2 (7.3.12) Como as deformações são iguais, em ambos os lados podemos simplificar: 𝐾𝑒𝑞 = 𝐾1 + 𝐾2 (7.3.13) Dessa forma para molas dispostas em paralelo em um sistema, a constante elástica equi- valente corresponde a soma das constantes das molas do conjunto. (MOLINA et al., 2016) 7.4 PROCEDIMENTO Para a realização da prática foi utilizado um programa na internet que simula um sistema de diferentes pesos (100g, 150g, 200g, 250g e 300g) com uma mola que poderiater a sua cons- tante elástica modificada quando necessário (níveis 3, 5 e 6), e com isso, caracterizando as molas como Mola 1, Mola 2 e Mola 3, respectivamente. O objetivo da primeira etapa foi avaliar as elongações que eram provocadas quando esses pesos com diferentes massas eram presos em cada versão da mola. Utilizando o programa, inicialmente coloquei os pesos na Mola 1 e veri- fiquei as deformações que estes provocavam, com o auxílio de uma régua disponível no pro- grama. Já que ao posicionar as massas nas molas, estas se movimentavam ininterruptamente foi preciso acionar o botão “PARE” algumas vezes para poder averiguar o quanto a mola havia se distanciado de sua posição de equilíbrio. Realizei os mesmos procedimentos para as outras mo- las, e anotei todos os valores para as elongações, bem como o peso em N para cada “peso” e a constante elástica K calculada para cada mola, descoberta por meio da fórmula da lei de Hooke. Os dados das molas 1, 2 e 3 estão expostos nas tabelas 7.1, 7.2 e 7.3 respectivamente. 6 Tabela 7.1. Resultados “experimentais” para a MOLA 1. MASSA (g) P(N) Δx (mm) k1 (N/cm) 100 0,981 16 0,61 150 1,47 24 0,61 200 1,96 33 0,59 250 2,45 41 0,60 300 2,94 49 0,60 XXXXXX XXXXXX Constante elástica média 0,60 Fonte: Elaborado pelo autor. Tabela 7.2. Resultados “experimentais” para a MOLA 2. MASSA (g) P(N) Δx (mm) k1 (N/cm) 100 0,981 12 0,82 150 1,47 18 0,82 200 1,96 24 0,82 250 2,45 31 0,79 300 2,94 37 0,79 XXXXXX XXXXXX Constante elástica média 0,81 Fonte: Elaborado pelo autor. Tabela 7.3. Resultados “experimentais” para a MOLA 3. MASSA (g) P(N) Δx (mm) k1 (N/cm) 100 0,981 11 0,89 150 1,47 16 0,92 200 1,96 22 0,89 250 2,45 27 0,91 300 2,94 33 0,89 XXXXXX XXXXXX Constante elástica média 0,90 Fonte: Elaborado pelo autor. O procedimento 2 , envolveu a quantidade de 3 massas desconhecidas (Menor, Média e Maior) que deveriam ser presas para cada tipo de mola. O objetivo foi descobrir a massa de cada peso utilizando uma adaptação para a lei de Hooke (𝐹 = 𝑘 × 𝑋). Uma vez que Peso é m×g, utilizei essa relação na fórmula original: 𝑚 × 𝑔 = 𝐾 × 𝑋. Para o cálculo medi as defor- mações que cada peso causava em cada mola e também utilizei as constantes elásticas médias descobertas no procedimento anterior. Utilizando esses dados e a equação, calculei os valores das massas desconhecidas. Os valores para as deformações estão anotados na tabela 7.4 e os valores das massas desconhecidas estão na tabela 7.5 7 Tabela 7.4. Resultados “experimentais” para determinação das massas desconhecidas. MASSA DESONHECIDA Δx MOLA 1 (mm) Δx MOLA 2 (mm) Δx MOLA 3 (mm) Menor 10 7,2 6,4 Média 19 15 13 Maior 29 22 20 Fonte: Elaborado pelo autor. Tabela 7.5. Determinação das massas desconhecidas. MASSA DESO- NHECIDA MASSA DESCO- NHECIDA DE- TERMINADA COM A MOLA 1 (g) MASSA DESCO- NHECIDA DE- TERMINADA COM A MOLA 2 (g) MASSA DESCO- NHECIDA DE- TERMINADA COM A MOLA 3 (g) MASSA DESO- NHECIDA MÉ- DIA (g) Menor 61 59 59 61 Média 116 123 119 121 Maior 177 182 183 180 Fonte: Elaborado pelo autor. No procedimento 3, o objetivo foi descobrir a gravidade em um planeta desconhecido utilizando o mecanismo da lei de Hooke. Para isso foi utilizado os dados da mola 2 e o programa foi adaptado para a realidade do planeta X. Utilizando novamente a forma adaptada da lei de Hooke, calculei para cada massa que estava presa a mola o valor gravidade e em seguida a média aritmética dos valores para obter a aceleração gravitacional do planeta X. Os valores para deformação e g’ estão apresentados na tabela 7.6. Tabela 7.6. Resultados “experimentais” para o “Planeta X. MASSA (g) Δx MOLA 2 (mm) g' PLANETA (m/s2) 100 18 14,6 150 27 14,6 200 35 14,2 250 44 14,2 300 53 14,3 VALOR MÉDIO DA ACELERAÇÃO DA GRAVIDADE 14,4 Fonte: Elaborado pelo autor. 8 7.5 QUESTIONÁRIO 1- Represente em uma mesma folha, os gráficos de F versus x (para as 3 molas) colocando as forças nas ordenadas e os alongamentos nas abscissas. Tabelas 7.1, 7.2 e 7.3. 1- Gráfico F versus X para a mola 1. Fonte: Elaborado pelo autor no Microsoft Excel. 2- Gráfico F versus X para a mola 2. Fonte: Elaborado pelo autor no Microsoft Excel. 3- Gráfico F versus X para a mola 3. Fonte: Elaborado pelo autor no Microsoft Excel. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 10 20 30 40 50 60 Fo rç a (N ) Deformação (mm) F (N) em função de X (mm) - MOLA 1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 10 20 30 40 Fo rç a (N ) Deformação (mm) F (N) em função de X (mm) - MOLA 2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 10 20 30 40 Fo rç a (N ) Deformação (mm) F (N) em função de X (mm) - MOLA 3 9 2- Determine, pelo gráfico da questão 1, a constante elástica de cada mola (1, 2 e 3). Por meio da fórmula: 𝐹 = 𝐾 × 𝑋 podemos isolar o 𝐾 para obter a constante elástica. Logo, 𝐾 = ∆𝐹 ∆𝑋 Para a mola 1 temos: 2,94 − 0,981 49 − 16 = 0,059 𝑁 𝑚𝑚 = 0,59 𝑁 𝑐𝑚 Para a mola 2 temos: 2,94 − 0,981 37 − 12 = 0,078 𝑁 𝑚𝑚 = 0,78 𝑁 𝑐𝑚 Para a mola 3 temos: 2,94 − 0,981 33 − 11 = 0,089 𝑁 𝑚𝑚 = 0,89 𝑁 𝑐𝑚 Através de uma regra de três é possível converter os valores da constante elástica em N/mm para N/cm. 3- Qual das molas (1, 2 ou 3) é a mais elástica? Justifique. A mola 1 é a mais elástica de todas as 3, por apresentar a menor constante elástica. A elasticidade de uma mola está relacionada com sua constante elástica, de forma que quanto maior for a constante elástica, maior será a sua rigidez ou dureza e consequentemente, menor a sua elasticidade, e o contrário, quanto menor for a constante elástica da mola, mais fácil é de- formá-la, portanto ela será mais elástica, que é justamente a situação da Mola 1. É possível fazer essa observação ao analisar a equação principal 𝐹 = 𝐾 × 𝑋, pois pode-se perceber que a força é diretamente proporcional a constante elástica, e esta constante é inversamente proporcional a deformação. Em vista disso, quanto menor a constante elástica, menor será a força necessária para causar deformação à mola e maior será a sua elongação. 10 4- Construa o gráfico de x (elongação) versus m (massa), colocando as elongações nas ordenadas e as massas nas abscissas. Tabelas 7.1, 7.2 e 7.3. Gráfico da elongação versus massa. Fonte: Elaborado pelo autor no Microsoft Excel 5- O que representa o coeficiente angular do gráfico da questão anterior? Justifique. No gráfico, o coeficiente angular é definido como quociente entre ∆𝑋 (variação da de- formação) e ∆𝑚 (variação da massa). Desse modo, ficamos com ∆𝑋/∆𝑚. Podemos tomar essa correlação como simplesmente X/m em um ponto. Pela equação 𝐹 = 𝐾 × 𝑋 pode-se adotar F como sendo o Peso (P) de um corpo preso na mola. Logo, 𝑃 = 𝐾 × 𝑋 → 𝑚 × 𝑔 = 𝐾 × 𝑋. A princípio como estamos buscando uma relação entre a deformação e a massa grafica- mente, pela formula, ao se isolar X/m, percebe-se que essa relação equivale a g/K. Isolando X e m no mesmo membro: 𝑋 𝑚 = 𝑔 𝐾 Desse modo, o coeficiente angular do gráfico formado pela deformação em função da massa é 𝑔/𝐾. Uma outra maneira de perceber que 𝑔/𝐾 é o coeficiente angular do gráfico é notar a relação direta existente entre 𝑋 e 𝑚 ao se isolar o 𝑋 na equação. É possível perceber a existência de uma função linear entre as duas variáveis e com isso identificar o coeficiente angular, visto que os seus componentes são valores constantes: 𝑋 = 𝑔 𝐾 𝑚 Logo, se torna evidente que 𝑔/𝐾 é o coeficiente angular do gráfico de 𝑋 𝑣𝑠 𝑚. 0 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 200 250 300 350 X ( m m ) M (g) Elongação (mm) em função da Massa (g) Mola 1 Mola 2 Mola 3 11 6- Um astronauta colheu uma pedra na Lua e a suspendeupor uma mola. Observou que a mola distendeu de X1. Ao retornar para a Terra, suspendeu novamente a pedra na mesma mola e observou que a mola distendeu X2. Mostre como determinar a aceleração da gravidade da Lua a partir desses dados e da aceleração da gravidade na Terra, sem conhecer a constante elástica da mola. Pela lei de Hooke: 𝐹 = 𝐾 × 𝑋 Considerando o Peso da pedra como F, temos: 𝑃 = 𝐾 × 𝑋 → 𝑚 × 𝑔 = 𝐾 × 𝑋 Para a Lua: (1) 𝑚 × 𝑔𝐿 = 𝐾 × 𝑋1 Para a Terra: (2) 𝑚 × 𝑔𝑇 = 𝐾 × 𝑋2 Aceleração da gravidade na Terra: 9,81 m/s2 Para encontrar a gravidade da Lua sem depender de K, deve-se utilizar uma relação que não envolva a constante K, então: Isolando K na equação 2: 𝐾 = 𝑚 × 𝑔𝑇 𝑋2 Substituindo K na equação 1 e simplificando a massa: 𝑚 × 𝑔𝐿 = 𝑚 × 𝑔𝑇 × 𝑋1 𝑋2 Dessa forma, obtém-se a equação: 𝑔𝐿 = 𝑔𝑇 × 𝑋1 𝑋2 Substituindo a aceleração da gravidade da Terra, 9,81 m/s2 na equação, pode-se encontrar a formula para determinar a aceleração da gravidade na Lua. 𝑔𝐿 = 9,81 × 𝑋1 𝑋2 12 7- Considerando que você dispõe de duas Molas 2 (como definida no procedimento 1.7). Calcule a constante elástica equivalente resultante da associação dessas duas molas asso- ciadas em série. Utilize a constante elástica média obtida na Tabela 7.2. Utilizando a equação 7.3.7 temos: 1 𝐾𝑒𝑞 = 1 𝐾1 + 1 𝐾2 Substituindo K1 e K2 pela constante elástica média da mola 2 na tabela 7.2: 𝐾𝑚é𝑑𝑖𝑎 = 0,81 𝑁/𝑐𝑚 1 𝐾𝑒𝑞 = 1 0,81 + 1 0,81 → 1 𝐾𝑒𝑞 = 2 0,81 Multiplicando o meio pelos extremos, obtemos: 0,81 = 2 × 𝐾𝑒𝑞 𝐾𝑒𝑞 = 0,81 2 = 0,41 𝑁 𝑐𝑚 8- Considerando que você dispõe de duas Molas 3 (como definida no procedimento 1.7). Calcule a constante elástica equivalente resultante da associação dessas duas molas asso- ciadas em paralelo. Utilize a constante elástica média obtida na Tabela 7.3. Utilizando a relação para molas em paralelo (equação 7.3.13), temos: 𝐾𝑒𝑞 = 𝐾1 + 𝐾2 Substituindo K1 e K2 pela constante elástica média da mola 3 na tabela 7.3: 𝐾𝑚é𝑑𝑖𝑎 = 0,90 𝑁/𝑐𝑚 𝐾𝑒𝑞 = 0,90 + 0,90 = 1,80 𝑁/𝑐𝑚 13 7.6 CONCLUSÃO Com a realização da prática foi possível fazer a análise de um sistema formado por molas e massas, e com isso descobrir as propriedades desse sistema, como suas relações de proporcionalidade entre a força e a deformação, conjuntamente com sua constante elástica que nessa conjuntura possui um papel decisivo nos efeitos ocorridos neste fenômeno, e aliado a isso utilizando a correlação matemática da lei de Hooke para o estudo do caso e obter as soluções. Com tudo isso foi possibilitado também medir as deformações de esticamento das molas quando sujeitas as forças peso de determinados objetos, descobrir as constantes elásticas das 3 molas utilizadas no experimento, e com os dados e o discernimento adquiridos foi suficiente até mesmo para conseguir determinar a aceleração da gravidade de um planeta desconhecido. As aplicações da lei física e dos fenômenos estudados no experimento estão presentes em diversas ocasiões do cotidiano, como a utilização de balanças para massa, dinamômetros para medição de forças, amortecedores, na estrutura interna de canetas, suspensão de automó- veis, estrutura subterrânea de prédios etc. variando desde aplicações simples até as mais com- plexas. Com tudo isso é possível notar que as propriedades envolvidas nesse conteúdo não se limitam apenas as aplicações diárias e podem ser de grande utilidade para a resolução problemas com mais complexidade, como nas áreas de eletrônica e em alguns ramos das engenharias. Desse modo, se torna inegável a importância que teve o estudo das molas com a investigação dos fenômenos elásticos e da lei de Hooke dentro do campo da ciência e no conhecimento elementar, pois tiveram um papel fundamental e essencial no desenvolvimento da ciência ex- perimental e na Revolução Científica ao longo do século XVII, contribuindo para avanços fu- turos em estudos posteriores com aplicações diretas na indústria e na engenharia em geral. Foi perceptível ao longo da prática que para pequenas variações de valores encontrados nas elongações em alguns casos, houve uma considerável variação nos valores das grandezas dependentes, isso se deve as aproximações que foram feitas para os valores encontrados, uma vez que a régua utilizada no programa estava graduada sem casas decimais e havia a necessi- dade de utilizar os valores com números inteiros. Dessa forma, por mais que as pequenas vari- ações pareçam não fazer diferença, podem influenciar significativamente o valor resultante. 14 7.7 REFERÊNCIAS RAMALHO, F.; NICOLAU, G. F.; TOLEDO, P. A. Os fundamentos da física, Vol. 2 - Ter- mologia, óptica e ondas. 6. Ed. São Paulo: Moderna, 1997. MOLINA, Madson de Melo et al. Ser Protagonista – Física – 1. 3. ed. São Paulo: SM, 2016 DIAS, Nildo Loiola. Roteiro das aulas práticas – Prática 07, Lei de Hooke. Fortaleza, 2020. Departamento de Física UFC. Disponível em: <https://www.facebook.com/LabFisicaUfc/>. Acesso em: 01 de out de 2020. BRIGUIET, Gabriel. Força Elástica. Quero Bolsa, 2018. Disponível em: <https://quero- bolsa.com.br/enem/fisica/forca-elastica> . Acesso em: 29 de set. de 2020. HELERBROCK, Rafael. "Lei de Hooke". Brasil Escola, 2020. Disponível em: https://brasilescola.uol.com.br/fisica/lei-de-hooke.htm. Acesso em: 30 de set. de 2020. WILLIAMS, Matt. What’s Hooke’s Law ?. Phys Org, 2015. Disponível em: < https://phys.org/news/2015-02-law.html > Acesso em: 01 de out. de 2020.
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