1 Tutorial – Força resultante e aceleração - helder-fisica

Colégio Técnico da Escola de Educação Básica e Profissional da UFMG – Física – 1º Ano - 2015
Tutorial – Força resultante e aceleração
Introdução:
Nesta atividade, vamos utilizar o aplicativo Forças em Uma Dimensão, disponível no link
http://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/forces-1d. A figura abaixo mostra a aparência desse aplicativo.
Note, na figura, ou no próprio aplicativo, a presença de um piso horizontal sobre o qual aparece um boneco,
um armário (ou gabinete) de arquivos, uma linha de referência para medidas de posição e algumas imagens
decorativas (árvore e casa). Note, ainda, a presença de uma barra lateral direita na qual aparece uma série de
opções. Na parte superior dessa barra lateral é possível observar duas forças verticais representadas em um
diagrama de corpo livre. A força FG corresponde à força gravitacional ou força peso que o planeta Terra exerce
sobre o objeto situado no piso horizontal. A força FN corresponde à chamada força de reação normal, que é
exercida pelo piso horizontal sobre o objeto. O termo normal, nesse caso, tem um significado matemático,
nada relacionado com os sentidos que a palavra normal tem no dia a dia (algo comum, habitual, natural, etc.).
Na Matemática e na Física, a palavra normal significa perpendicular. Assim, o termo normal, no contexto da
expressão força de reação normal, indica que esse tipo de força é sempre perpendicular à superfície de contato
entre um dado corpo e o piso sobre o qual ele se encontra. Por sua vez, o termo força de reação indica que
essa mesma força é provocada por outras forças que comprimem o objeto sobre o piso. No caso de um piso
horizontal, uma das forças responsáveis por essa compressão é a própria força de atração gravitacional. Assim,
por causa da força gravitacional, o objeto comprime o piso sobre o qual ele foi colocado e, por essa razão, o
piso “reage” e exerce uma força normal sobre o objeto.
Abaixo do diagrama de corpo livre que contém a representação das forças FG e FN existem as opções Mostrar
forças horizontais e Mostrar força resultante. Na atividade que você fará a seguir, essas opções devem
permanecer marcadas. Mais abaixo, a opção Atrito Ativado garantirá a existência de uma força de atrito entre
o objeto e o piso. Essa é uma situação mais realística, mas você também poderá usar a opção (Atrito)
Desativado que corresponde a uma situação mais idealizada.
Clicando com o botão esquerdo do mouse sobre o objeto situado sobre o piso horizontal, nós podemos arrastar
o objeto para a esquerda ou para a direita. Fazendo isso, surge na tela um vetor azul que representa a força de
valor variável que nós estamos “aplicando” sobre o objeto. Quando a opção Atrito Ativado está marcada,
também aparece um vetor vermelho que representa a força de atrito existente entre o objeto e o piso horizontal
sobre o qual o objeto foi colocado. Usando esse procedimento torna-se difícil exercer forças de intensidade
constante sobre o objeto. Para aplicar uma força de intensidade constante, você deve digitar um valor para a
força dentro da caixa Força aplicada, que é uma caixa branca no lado esquerdo da janela aberta pelo aplicativo.
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Depois de digitar um valor para a força aplicada e apertar a tecla Enter, você verá surgir os vetores que
representam a(s) força(s) que irão atuar sobre o objeto. Para verificar se a(s) força(s) produzirá(ão) algum
efeito sobre o estado de movimento do objeto é preciso clicar no botão Ir situado abaixo da caixa Força
aplicada. Se a opção Atrito Ativado estiver marcada, pode ser que nada aconteça após você realizar toda essa
operação. Nesse caso, o aplicativo estará lhe dizendo que não é possível retirar o objeto do repouso com a
intensidade de força que você decidiu aplicar ou, em outras palavras, que o atrito impediu que o objeto saísse
do estado de repouso.
Se você verificar que a força aplicada teve algum efeito sobre o movimento, você poderá apertar o botão
Pausar para interromper a simulação. Note que há um botão Pausar logo abaixo do botão Ir, mas que também
há um segundo botão Pausar situado em uma área destacada do cenário na qual também aparecem os botões
Executar e Rebobinar.
O acionamento do botão Rebobinar equivale a voltar o “filme” que foi gravado pelo aplicativo desde o instante
no qual a força aplicada começou a atuar sobre o objeto. O botão Executar reproduz esse “filme”. Ao executar
ou rebobinar o “filme” para assistir a simulação mais uma vez, você pode optar por exibir quatro tipos de
gráfico por meio de um clique em quatro grandes botões retangulares situados logo abaixo dos desenhos que
compõem o cenário representado no aplicativo. Esses botões são denominados: Gráfico Força aplicada;
Gráfico Aceleração; Gráfico Velocidade; Gráfico Posição. Utilize esses gráficos para obter uma descrição
mais precisa de cada situação simulada. Se quiser impedir que muitos gráficos sejam exibidos ao mesmo
tempo, o que prejudica a visualização de cada um deles, é possível clicar em um grande X vermelho situado
no canto superior direito da área destinada à exibição de cada gráfico.
Para analisar uma nova situação, você deverá limpar a memória do aplicativo antes de voltar a utilizá-lo. O
botão retangular Limpar fica situado abaixo dos botões Ir e Pausar na lateral esquerda da janela aberta pelo
aplicativo. No caso de você querer gravar os gráficos produzidos na análise de uma dada situação, como o
aplicativo não oferece a opção de gravação, será preciso apertar a tecla Print Scream (ou PrtScr) do teclado do
computador que você estiver utilizando ou uma ferramenta de captura de tela que são encontradas tanto no
Linux versão Unbuntu, quanto no Windows a partir da versão 7. Feita a captura, você deve colar o gráfico
capturado em um arquivo de texto.
Exploração 1: Força de atrito estático e força de atrito estático máxima
Partindo da configuração Atrito Ativado, podemos aplicar forças
cada vez maiores sobre o objeto selecionado. Acione a opção
Gráfico Força aplicada e experimente usar forças de intensidade
progressivamente maiores sobre o objeto. Considere as
informações dadas sobre as forças pelo gráfico e pelos vetores que
as representam. Para interpretar o que você irá observar é
importante saber que nas situações nas quais um objeto permanece
em repouso, apesar da presença de uma força aplicada com o
intuito de coloca-lo em movimento, existe um tipo de atrito
chamado de força de atrito estático. A imagem ao lado sugere que
o “encaixe” entre reentrâncias e saliências existentes nas
superfícies de dois corpos em contato pode explicar uma das
principais causas do atrito: a fricção. A segunda causa do atrito é
a aderência entre as superfícies em contato.
Quando a força de atrito estático é superada e os objetos em contato adquirem movimento, um em relação ao
outro, o atrito entre suas superfícies sofre uma alteração, mas não deixa de existir. Nesse caso, o atrito recebe
uma nova denominação passando a ser identificado como força de atrito cinético. Ao responder as questões a
seguir você poderá compreender melhor as características da força de atrito.
1) Enquanto aumentamos a força aplicada, mas o objeto permanece em repouso, a força de atrito estático
apresenta um valor constante?
2) Existe um valor máximo para a força de atrito estático que atua sobre um dado corpo? Para responder,
varie, progressivamente, o valor da força aplicada ao objeto até encontrar uma situação na qual esse força
consiga retirar o objeto do repouso.
3) O valor da força de atrito estático máxima está relacionado ao peso do corpo? Como e por quê?
4) Existe uma diferença significativa entre os valores da força de atrito estático máximo e da força de atrito
cinético?
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Exploração 2: Força resultante e aceleração
Ao inserir, na caixa Força aplicada, um valor de força constante e superior à intensidade da força de atrito,
vemos surgir um vetor verde que representa a força resultante aplicada sobre o objeto. A intensidade da força
resultante, nesse caso, corresponde à diferença entre a intensidade da força aplicada e a intensidade da força
de atrito cinético. A força resultante é um conceito matemático, e nesse sentido, é uma força fictícia. Contudo,
se pudéssemos substituir as forças reais que atuam sobre o objeto por uma única força real cuja intensidade
corresponde à subtração entre a força aplicada e a força de atrito, essa força real produziria o mesmo efeito
produzido pelo par força aplicada e força de atrito. Daí podemos definir o conceito de força resultante como
sendo uma força que aplicada sozinha a um determinado corpo produziria o mesmo efeito produzido pelo
conjunto de forças reais que atuam nesse corpo.
1) Produzindo uma força resultante sobre o objeto situado no piso da simulação, a aceleração exibida pelo
objeto será constante? E sua velocidade? Anote o valor da força resultante, observe os gráficos produzidos
pelo aplicativo e insira-os em um arquivo de texto para ter um registro mais elaborado do estudo que
estamos realizando acerca dos efeitos das forças sobre os movimentos.
2) Para um mesmo corpo, a alteração da intensidade da força resultante produz alguma modificação no valor
da aceleração? Experimente e verifique, lembrando-se de registrar os novos módulos da força resultante.
Depois, mais uma vez, insira os gráficos produzidos pelo aplicativo em um arquivo de texto.
Exploração 3: Força aplicada, força resultante e aceleração na presença ou ausência do atrito
Partindo da configuração (Atrito) Desativado, experimente aplicar valores de força constantes e iguais àqueles
que você acabou de utilizar na exploração 2.
1) Compare a força aplicada com a força resultante agora que o atrito está desativado. A força aplicada e a
força resultante também coincidiam na exploração 2, quando lidamos com a configuração Atrito Ativado?
Explique.
2) Na situação sem atrito, existe um valor mínimo para que a força aplicada possa dar início ao movimento
do objeto? Explique.
3) Na situação sem atrito, as acelerações obtidas são maiores do que no caso em que o corpo estava submetido
à ação do atrito? Mais uma vez, observe os gráficos produzidos pelo aplicativo e insira-os no arquivo de
texto para compará-los aos obtidos durante a exploração 2.
Exploração 4: Força resultante, massa e aceleração
Quando abrimos o aplicativo, o objeto que aparece sobre o piso horizontal é um armário de arquivos (ou
“gabinete de arquivos”). Contudo, é possível colocar outros objetos sobre o mesmo piso. Os diversos objetos
disponíveis apresentam diferenças significativas em termos de massa. A massa é uma variável importante,
quando se considera o efeito das forças sobre os movimentos. Nesta exploração, pretendemos que você
identifique a influência da massa sobre a aceleração provocada por uma força constante que é aplicada a um
objeto situado sobre uma superfície sem atrito. Para isso responda: para um mesmo valor de força resultante,
a massa do corpo influencia no valor da aceleração? Experimente e verifique. Observe os gráficos produzidos
pelo aplicativo e insira-os no arquivo de texto para compará-los aos obtidos durante as explorações anteriores.
Feito isso, descreva a influência da massa sobre a aceleração.
Exploração 5: Forças de valor variável ou que atuam em um curto intervalo de tempo
Nós podemos aplicar forças de valor variável no objeto situado sobre o piso horizontal ao posicionar o mouse
sobre o objeto, clicar com o botão esquerdo e arrastar o mouse. Usando esse recurso do aplicativo, a intensidade
da força aplicada irá variar no tempo e, além disso, poderemos exercer a força por apenas um curto intervalo
de tempo. Exercendo forças desse modo:
1) Descreva as características do movimento exibido pelo corpo quando o atrito está ativado e a força aplicada
supera a força de atrito estático máxima por um breve período de tempo. Utilize os gráficos produzidos
pelo aplicativo para fazer essa descrição.
2) Faça o mesmo para a situação em que o atrito está desativado.
3) Para forças aplicadas durante um curto intervalo de tempo, compare os gráficos força versus tempo,
aceleração versus tempo e velocidade versus tempo nas situações em que o atrito está ativado e desativado.
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