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AULA DE LABORATÓRIO: EXPERIMENTO ATRITO SÓLIDO Profa. Iara Lima Objetivos Estudar experimentalmente a ação da força de atrito estático e dinâmico entre superfícies não lubrificadas de mesmo material e materiais diferentes. Obter experimentalmente os coeficientes de atrito estático e dinâmico de dois materiais: alumínio e madeira em contato com a superfície do plano. Introdução A força de atrito é uma força de contato entre duas superfícies. Ela é o resultado das imperfeições microscópicas que há nas superfícies dos materiais em contato. Fonte:<http://www.sfb616.uni-due.de/englisch/c4.htm> O atrito pode ser classificado em: estático; cinético (ou dinâmico). Força de atrito estático Força de atrito estático (Fate) surge quando não há movimento do corpo em relação à superfície. Características: varia com a intensidade da força aplicada ao corpo; é máxima na iminência do movimento do corpo e pode ser determinada por: Em que: µe coeficiente de atrito estático (adimensional). N força normal. max eFat .N Força de atrito dinâmico (ou cinético) Força de atrito dinâmico (FatD) surge quando há movimento do corpo em relação à superfície. Características: menor do que a força de atrito estático máxima; constante e pode ser obtida por: Em que: µD coeficiente de atrito dinâmico Fonte: livro-texto Mecânica da Partícula – Mecânica Clássica. D DFat .N Propriedades da força de atrito Paralela às superfícies de contato. Possui sentido oposto à tendência de movimento. Aproximadamente independente da área de contato. Depende do tipo de superfície em contato e do grau de polimento de cada uma. Seu valor mínimo é zero. Determinação experimental do coeficiente de atrito 1º método: corpo apoiado em um plano inclinado Fonte: livro-texto Forças atuando nos eixos: Em y: Em x: N P cos N mg cos P sen Fat m a mg sen Fat m a Determinação experimental do coeficiente de atrito 1º método: corpo apoiado em um plano inclinado Para condição de repouso ou Movimento Retilíneo Uniforme: Na iminência de deslizamento atrito estático Em Movimento Retilíneo e Uniforme atrito dinâmico a 0 mg sen Fat mg sen N mg sen mg cos tg e etg D Dtg Determinação experimental do coeficiente de atrito 2º método: corpo apoiado em um plano horizontal Utiliza-se um bloco de massa m apoiado em um plano horizontal, tracionado por uma força elástica F horizontal e crescente, de tal forma que o bloco atinja a situação de iminência de deslizamento atrito estático. Fonte: livro-texto Determinação experimental do coeficiente de atrito 2º método: corpo apoiado em um plano horizontal Nessa condição: Em que: k constante elástica (N/m) X elongação da mola (m) k pode ser fornecida pelo fabricante da mola, ou determinada com uma massa de peso P que equilibre a força elástica. (má ximo)F Fat e e kx k x N N e kx mg Determinação experimental do coeficiente de atrito 2º método: corpo apoiado em um plano horizontal Analogamente, para determinar o coeficiente de atrito dinâmico (μD), a força F é ajustada de tal forma que o bloco em estudo atinja a situação Movimento Retilíneo e Uniforme. Assim: (dinâmico)F Fat D D kx k x N N D kx mg 1º método – materiais 1º método: corpo apoiado em um plano inclinado 1) Blocos de alumínio e madeira. 2) Plano inclinado. 3) Régua ou escalímetro. 4) Balança de precisão. Fonte: a autora 1º método – procedimento experimental 1. Montar o arranjo experimental. 2. Utilizar o bloco de alumínio apoiado sobre a superfície. 3. Aumentar gradativamente o ângulo até que a condição de iminência de deslizamento seja atingida. 4. Com o escalímetro, medir os catetos do triângulo que forma o plano inclinado. 5. Determinar a tangente do ângulo θe. 6. Repetir os passos anteriores utilizando o bloco de madeira. 7. Ajustar o ângulo θD que permite o bloco deslizar com velocidade constante. 8. Repetir o passo 7 utilizando o bloco de madeira. 9. Preencher o Roteiro Experimental. Fonte: a autora 2º método – materiais 1) Mola com a constante elástica já definida ou um dinamômetro. 2) Régua ou escalímetro. 3) Conjunto de blocos de alumínio. 4) Balança de precisão. 5) Fio de nylon. 6) Tábua. Fonte: <http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fic haTecnicaAula.html?aula=19 734> 2º método – procedimento experimental 1. Montar o arranjo experimental. 2. Utilizar o bloco de alumínio apoiado sobre a superfície. 3. Ajustar a força F até que a condição de iminência de deslizamento seja atingida. 4. Com o escalímetro, medir a distensão x da mola. 5. Repetir os passos 2, 3 e 4 para outras três diferentes massas. 6. Com o mesmo arranjo experimental, variar a força de acionamento F até que o corpo entre em Movimento Retilíneo Uniforme (velocidade constante). 7. Repetir o passo 6 para outras três diferentes massas. 8. Preencher o Roteiro Experimental. ATÉ A PRÓXIMA! AULA DE LABORATÓRIO: EXPERIMENTO BARICENTRO Profa. Iara Lima Objetivos Localizar o baricentro de objetos planos. Verificar as propriedades do baricentro. Definição O baricentro (ou centro de gravidade) de um sistema de partículas é o ponto que se move como se: toda a massa estivesse concentrada nesse ponto; e todas as forças externas estivessem aplicadas nesse ponto. Se a aceleração da gravidade (g) for constante para todas as partículas que constituem o corpo em estudo, então o baricentro coincide com o Centro de Massa (CM). Fonte: Halliday & Resnick, Fundamentos de Física - Mecânica, 10ª ed., 2016. Introdução teórica Cálculo do Centro de Massa Matematicamente, o cálculo do Centro de Massa (CM) do sistema leva em consideração a massa e a coordenada de cada partícula que constitui o corpo em estudo. As coordenadas do Centro de Massa são obtidas por meio da média ponderada entre as coordenadas das partículas. Introdução teórica Considerando um sistema de quatro partículas em três dimensões, as coordenadas cartesianas do Centro de Massa (CM) do sistema serão: Sendo M a massa total do sistema: M = m1+m2+m3+m4. CM 1 1 2 2 3 3 4 4 CM 1 1 2 2 3 3 4 4 CM 1 1 2 2 3 3 4 4 1 x (x m x m x m x m ) M 1 y (y m y m y m y m ) M 1 z (z m z m z m z m ) M Introdução teórica Generalizando Para um sistema de partículas em três dimensões: Para corpos maciços, com distribuição contínua de massa: Sendo a massa total do corpo: n n n CM i i CM i i CM i i i 1 i 1 i 1 1 1 1 x x m , y y m , z z m M M M CM CM CM 1 1 1 x x dm , y y dm , z z dm M M M M dm Introdução teórica Cálculo do baricentro Assumindo um sistema constituído por quatro partículas e que cada partícula esteja sujeita a diferentes valores de aceleração da gravidade, a fim de calcular as coordenadas do baricentro, pode-se empregar tratamento matemático análogo ao realizado para o cálculo do CM, mas utilizando para a média ponderada o peso (P) ao invés da massa (m). Por exemplo, para a coordenada x: baricentro 1 1 2 2 3 3 4 4 1 x x P x P x P x P P Introdução teórica Como P = m.g, então: Adotando aceleração da gravidade constante (g1 = g2 = g3 = g4), tem-se: Ou seja: 1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 baricentro 1 1 2 2 3 3 4 4 (x m g x m g x m g x m g ) x m g m g m g m g 1 1 2 2 3 3 4 4 baricentro (x m x m x m x m ) x M baricentro CM x x Propriedades do baricentro 1) O ponto por onde passa a linha de ação da força peso do corpo, qualquer que seja a posição ocupada por esse corpo, é considerado o baricentro do corpo em questão. 2) Se a aceleração da gravidade for constante para todosos pontos do sistema estudado, o baricentro coincidirá com as coordenadas do centro de massa. Fonte: livro-texto. Propriedades do baricentro 3) O baricentro nem sempre é um ponto que está dentro do corpo, ele pode estar fora do corpo. Por exemplo: o baricentro de um anel homogêneo encontra-se no centro do anel. Fonte: livro-texto. Propriedades do baricentro 4) Para corpos homogêneos em que admite-se um eixo de simetria, o baricentro estará sobre esse eixo. Caso haja mais do que um eixo de simetria, o baricentro estará na intersecção deles. 5) O baricentro não depende do sistema do referencial, sua posição é invariante. Materiais 1) Fio para o prumo. 2) Um prumo. 3) Cinco figuras geométricas (placas planas) em madeira. 4) Aparato para sustentação das placas. 5) Folhas de papel sulfite. 6) Alfinetes/percevejos para fixar o papel. 7) Escalímetro. Fonte: livro-texto. Procedimento experimental 1. Contornar o formato do objeto na folha em branco e fixá-la na placa plana por meio de três percevejos. 2. Pendurar o objeto por um dos seus pontos e esperar até atingir a situação de equilíbrio (equilíbrio estático). 3. Com o auxílio do fio de prumo (que passará pelo baricentro do objeto) e o escalímetro, traçar a linha vertical na folha fixada no objeto. Procedimento experimental 4. Pendurar o objeto nos demais pontos (percevejos), esperar até atingir a situação de equilíbrio estático e com o auxílio do fio de prumo e o escalímetro, traçar as linhas verticais na folha de sulfite. 5. Marcar o ponto de intersecção entre as três linhas verticais. O ponto de encontro entre as retas define o baricentro do objeto. Procedimento experimental 6. Repetir todas as etapas descritas anteriormente para as demais placas de diferentes geometrias. 7. Preencher o roteiro experimental. ATÉ A PRÓXIMA! AULA DE LABORATÓRIO: EXPERIMENTO EQUILÍBRIO DE BARRA Profa. Iara Lima Objetivo Estudar as condições de equilíbrio estático de uma barra prismática homogênea submetida a um sistema de forças coplanares (verticais) e não concorrentes. Introdução Um corpo rígido encontra-se em equilíbrio estático caso não haja translação e nem rotação no sistema de referências em que o corpo está sendo estudado. Portanto, para que um corpo rígido atinja o equilíbrio estático, duas condições devem ser satisfeitas: Para as forças: Para os momentos das forças: N R i i 1 F F 0 N R i i 1 M M 0 Introdução Considerando uma barra prismática homogênea AB, de comprimento L e massa M, equilibrada conforme ilustração a seguir: Fonte: livro-texto. As forças que atuam na barra são: Peso da barra (P) no ponto G; Tração (T) no fio ponto C; Peso (Q) ponto D; Introdução Neste caso, analisando a condição de equilíbrio estático na qual a soma dos momentos de cada força em relação ao polo C é nula, tem-se: Uma vez que a força de tração (T) é aplicada sobre o polo C, o momento dessa força é zero, então: N R i T P Q i 1 M M 0 M M M 0 P QM M 0 Introdução 0 0 0 L Mg (d d) mg d 0 2 L md M ( d ) d) 2 L md M ( d ) M d 2 Fonte: livro-texto. Introdução Dividindo a equação anterior por d: Portanto, a equação anterior fica: Com: e 0 L 1 m M ( d ) M 2 d m k x M k x 0 L k M ( d ) 2 1 x d Coeficiente angular Coeficiente linear Em que: m massa no ponto D M massa da barra L comprimento da barra d0 distância fixa entre o ponto D e B d distância de equilíbrio entre o ponto C e D Materiais 1) Tripé com haste para sustentação. 2) Barra homogênea de 50cm com níveis de bolha acoplados no corpo rígido. 3) Porta massas. 4) Conjunto de massas de 5g. 5) Escalímetro. 6) Balança de precisão. Fonte: livro-texto. Procedimento experimental 1. Adotar um valor fixo para d0. Como sugestão, adote d0 = 5 cm. 2. Mensurar a massa M da barra utilizando a balança de precisão e determinar o seu comprimento por meio do escalímetro. 3. Ajustar para dez diferentes valores de m o ponto de aplicação da força de tração (T) a fim de que a barra permaneça em equilíbrio estático na horizontal. 4. Preencher a tabela do Roteiro Experimental com os valores das massas m (em gramas) e também com os respectivos valores de d (em centímetros) a fim de atingir o equilíbrio estático da barra homogênea. 5. Preencher o Roteiro Experimental. Exemplo m (g) d (cm) x = 1/d (cm-1) 5,920 16,40 0,061 10,920 16,00 0,063 15,920 15,50 0,065 20,920 14,90 0,067 25,920 14,10 0,071 30,920 13,60 0,074 35,920 13,10 0,076 40,920 12,90 0,078 45,920 12,40 0,081 50,920 12,10 0,083 Massa da Barra M (g) Comprimento da Barra L (cm) 121,840 45,00 Precisões dos instrumentos: Balança menor divisão da escala (0,001 g) Régua metade da menor divisão (0,05 cm) Exemplo Gráfico de massa (m) em função de 1/d: 1m k M d y = 1963,4x - 112,29 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 0,060 0,065 0,070 0,075 0,080 0,085 m ( g ) 1/d (cm-1) Exemplo Coeficiente linear: Coeficiente angular: 1 m k M d 0 L k M ( d ) 1963,4 2 M 112,290 g L 1963,4 112,29 ( 5) 2 L 44,97 cm Massa da Barra M (g) Comprimento da Barra L (cm) Balança 121,840 45,00 Gráfico 112,290 44,97 Exemplo Desvio percentual da massa M da barra: balança gráfico balança (M M ) Desvio (%) 100 M (121,840 112,290) Desvio (%) 100 121,840 Desvio 8% Exemplo Desvio percentual do comprimento L da barra: régua gráfico régua (L L ) Desvio (%) 100 L (45,00 44,97) Desvio (%) 100 45,00 Desvio 0,1% ATÉ A PRÓXIMA! AULA DE LABORATÓRIO: EXPERIMENTO MESA DE FORÇAS Profa. Iara Lima Objetivo Verificar experimentalmente o equilíbrio estático de forças. Introdução As grandezas físicas são classificadas como grandezas escalares ou vetoriais. Grandezas escalares são caracterizadas por um valor numérico (módulo) e uma unidade. Exemplos: tempo, massa, temperatura e energia. Grandezas vetoriais são caracterizadas por um valor numérico (módulo), direção e sentido. Exemplos: força, velocidade e aceleração Introdução Para que ocorra o equilíbrio estático em um ponto, é necessário que o somatório de todas as forças sobre esse ponto material seja igual à zero. Dessa forma: N Rx R i Ryi 1 F 0 F F 0 F 0 RF 0 Projeções de uma força no plano cartesiano x y F F cos F F sen x y F F cos F F sen Materiais 1. Mesa de Forças composta por um disco graduado e quatro polias. 2. Quatro porta-massas. 3. Conjunto de massas, em gramas. 4. Papel milimetrado. 5. Balança para aferir as massas. 6. Nível de bolha de ar. 7. Anel metálico. 8. Fios de nylon. Procedimento experimental 1. Nivelar a Mesa de Forças utilizando o nível de bolha de ar. Verificar se as polias giram sem atrito. 2. Montar o arranjo experimental, primeiramente para duas forças posicionadas em diferentes ângulos e colocar uma terceira força (determinando seu ângulo e o seu módulo) a fim de equilibrar a força resultante das duas primeiras. Para verificar o equilíbrio, o anel metálico deverá estar centralizado em relação ao pino central da Mesa de Forças. Neste caso é necessário que um dos braços da Mesa de Forças seja inutilizado. 3. Representar no papel milimetrado a situação de equilíbrio do sistema, obtida na etapa 2. Procedimento experimental 4. Repetir a etapa 2, posicionando inicialmente três forças em diferentes módulos e, para equilibrar a força resultante das três primeiras, instalar uma quarta força. 5. Representar no papel milimetrado a situação de equilíbrio do sistema, obtida na etapa 4. 6. Preencher o roteiro experimental.Exemplo – três forças FORÇA (gf) ÂNGULO () (F1) 20 (1) 0º (F2) 25 (2) 78º (F3) 30 (3) 216º Exemplo – três forças Em x: Em y: Os resultados são coerentes com a teoria? Quais fatores influenciam as medições? Observação: a incerteza de cada medição corresponde à metade da menor divisão da escala do equipamento utilizado. Rx RxF 20 25 cos78º 30 cos36º F 1 gf Ry RyF 25 sen78º 30 sen36º F 7 gf ATÉ A PRÓXIMA! AULA DE LABORATÓRIO: EXPERIMENTO PICNÔMETRO – LÍQUIDO Profa. Iara Lima Objetivos Determinar a massa específica (densidade) de álcool etílico, vaselina e glicerina utilizando um picnômetro e um líquido padrão (água destilada). Comparar percentualmente os desvios dos valores entre as densidades medidas e as tabeladas dos líquidos em estudo. Introdução A grandeza física densidade (massa específica) caracteriza as substâncias. Utiliza-se o termo massa específica para substâncias líquidas e gasosas e densidade para substâncias sólidas. A massa específica ou densidade absoluta (d) de um corpo homogêneo é determinada pela razão entre sua massa (m) e seu volume (V). No SI kg/m³ (quilograma por metro cúbico) m d V Introdução Importante característica da densidade para determiná-la não há necessidade de grande quantidade da matéria em estudo, já que essa propriedade independe da quantidade de matéria. A densidade depende da substância e geralmente é influenciada pela temperatura e pressão. Uma forma de analisar a densidade absoluta de um corpo é comparar o seu valor com a densidade de outro objeto, chamado de padrão. Introdução Assim, a densidade relativa (dR) é obtida por meio da razão entre a densidade do corpo (d) e a densidade do objeto escolhido como padrão (dP). Por exemplo: A densidade absoluta do alumínio é 2,70 maior do que densidade da água (neste caso, escolhida como substância padrão). R P d d d adimensional Introdução A ação de medir é baseada em comparar uma grandeza com um padrão. Assim, para a determinação de densidades, é comum comparar massa com uma massa padrão e também o volume com um volume padrão. Para obter maior exatidão e precisão nas medições utiliza-se um líquido de massa específica conhecida (água destilada), ocupando o mesmo volume da substância em estudo. Para realizar essas medições picnômetro. Picnômetro O picnômetro é um pequeno instrumento de vidro que possui um formato desenvolvido cuidadosamente para que o volume do fluido contido seja invariável. Utilizando o picnômetro para medir a densidade de líquidos A densidade relativa (dR) é dada pela razão entre a densidade do líquido em estudo (dL) e a densidade do líquido padrão (dP): Como a densidade corresponde à razão entre a massa e o volume e o volume do picnômetro é fixo: L R P d d d L L L L R PP P P m d d mVd md d m V L L P P m d d m Materiais 1) Balança de precisão. 2) Álcool etílico, vaselina e glicerina. 3) Termômetro. 4) Papel toalha. 5) Secador de cabelo. 6) Picnômetro. Procedimento experimental 1. Mensurar a massa do picnômetro vazio (mPIC), devidamente seco e limpo, utilizando a balança de precisão. 2. Preencher completamente o picnômetro com água destilada (líquido padrão) e secá-lo bem e com cuidado externamente. 3. Mensurar a massa do conjunto picnômetro mais água destilada 4. (m2= mPIC + MP) utilizando a balança de precisão. 5. Calcular a massa do líquido padrão: mP = m2 - mPIC 6. Esvaziar o picnômetro, secá-lo e preenchê-lo com o líquido em estudo (álcool etílico, glicerina, vaselina). 7. Mensurar a massa do conjunto picnômetro mais líquido em estudo (m’2 = mPIC + mL) utilizando a balança de precisão. 8. Calcular a massa do líquido em estudo: mL = m’2 - mPIC Procedimento experimental 8. Calcular a densidade do líquido em estudo e consultar o valor tabelado da densidade do líquido padrão (dP): 9. Preencher o Roteiro Experimental. L L P P m d d m Exemplo Temperatura T (oC) Densidade dP (g/cm 3) 28,0 1,0 m1 = mPIC (g) m2 = mPIC + mP (g) mP (g) 57,831 160,694 102,863 Substância m'2 = mPIC + mL (g) mL = m’2-m1 (g) Álcool etílico 138,631 80,8 0,786 mLd dL P mP Exemplo Desvio percentual E (%) no valor da densidade do líquido: (d d )tabelada medidaE% 100 dtabelada Substância dtabelada (g/cm 3) dmedida (g/cm 3) Desvio (E%) Álcool etílico 0,789 0,786 0,4 ATÉ A PRÓXIMA! AULA DE LABORATÓRIO: EXPERIMENTO PICNÔMETRO – SÓLIDO Profa. Iara Lima Objetivos Determinar a densidade de sólidos (cobre, alumínio, latão e ferro) utilizando um picnômetro e um líquido padrão (a água destilada). Comparar os valores de densidade determinados experimentalmente com valores tabelados, por meio do desvio percentual. Introdução A densidade absoluta (d) de um corpo homogêneo é determinada pela razão entre sua massa (m) e seu volume (V). A densidade está relacionada ao grau de compressão e empacotamento da matéria quanto maior o empacotamento dos átomos que constituem a matéria, mais densa é a substância. m d V Fonte:<http://educacao.uol.com.br/disciplinas/quimica/e stados-fisicos-da-materia-solido-liquido-e-gasoso.htm> Introdução Importante característica da densidade para determiná-la não há necessidade de grande quantidade da matéria em estudo, já que essa propriedade independe da quantidade de matéria. A densidade depende da substância e geralmente é influenciada pela temperatura e pressão. Uma forma de analisar a densidade absoluta de um corpo é comparar o seu valor com a densidade de outro objeto, chamado de padrão. Introdução A densidade também é utilizada para diferenciar um material puro de um impuro (como ligas metálicas), uma vez que a densidade dos materiais impuros é função da composição da mistura. Para determinar a densidade de um sólido de forma irregular, o volume pode ser obtido utilizando um método de deslocamento fluido com um picnômetro. Introdução Assim, determina-se a massa do sólido, transferindo-o para o picnômetro cheio de um líquido classificado como padrão. O sólido será responsável por deslocar um certo volume do líquido padrão igual ao seu volume. https://quimicananet.wikispaces.com/file/view/Wiki _2.jpg/182697785/591x334/Wiki_2.jpg Introdução Além disso, a densidade de um corpo pode ser obtida a partir da comparação com uma substância padrão por meio da relação: Em que: d densidade do sólido analisado; m massa do sólido; mp massa da substância padrão (água destilada); e dp densidade da substância padrão (água destilada). P P m d d m Materiais 1) Balança de precisão. 2) Sólidos em formato cilíndrico: cobre, alumínio, latão e ferro. 3) Termômetro. 4) Papel toalha. 5) Secador de cabelo. 6) Picnômetro. Procedimento Experimental 1) Preencher completamente o picnômetro com água destilada (líquido padrão) e secá-lo bem e com cuidado externamente. 2) Mensurar a massa do conjunto picnômetro (mPIC) mais água destilada (mL) utilizando a balança de precisão (M = mPIC + mL) 3) Determinar a massa m do sólido, utilizando a balança de precisão. 4) Mergulhar o sólido no picnômetro, permitindo que a água destilada extravase pelo frasco. 5) Secar bem e cuidadosamente o picnômetro externamente. 6) Mensurar a massa do conjunto: picnômetro mais água destilada mais sólido, utilizando a balança de precisão (M’ = mPIC + m + m’L) . Procedimento Experimental 7) Calcular a massa da água destilada (líquido padrão) extravasada (mP) de acordo com os passos que seguem: Sabendo que: M = mPIC + mL e M’ = mPIC + m + m’L Para obter a massa de água destilada extravasada (mP): M - M’ = mL - m’L – m mL - m’L = M + m - M’ = mP Procedimento Experimental 8) Calcular a densidade do sólido em estudoe consultar o valor tabelado da densidade do líquido padrão (dP): 9) Repetir os procedimentos anteriores para os demais sólidos. 10) Preencher o Roteiro Experimental. P P m d d m Exemplo Temperatura T (oC) Densidade dP (g/cm 3) 25 1,0 M = mPIC + mP = 160,676 (g) Substância m (g) Cobre 4,843 Substância M’ = mPIC + m + m’P (g) mP = m + M - M’ (g) d (g/cm 3) Cobre 164,965 0,554 8,742 P P m d d m Exemplo Substância dtabelada (g/cm 3) dmedida (g/cm 3) Desvio (E%) Cobre 8,890 8,742 2 tabelada medida tabelada (d d ) E% 100 d ATÉ A PRÓXIMA!
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