mecanica 3

Física Laboratorial
Ano lectivo 2003/04
3ª PARTE
Variação da Energia Cinética de um objecto
Introdução
r
Quando um objecto de massa m experimenta uma força total constante F ao longo de um
r
r
percurso rectilíneo de comprimento d , o trabalho realizado por F é dado por:
r r
W = F .d .
r
Por outro lado, se a força F for a resultante das forças aplicadas ao objecto, o trabalho por ela
realizado é igual à variação da energia cinética desse objecto:
W = Ecf − Eci =
1 2 1 2
mv f − mvi ,
2
2
onde vf e vi são a velocidades final e inicial, respectivamente.
É esta igualdade que será estudada nesta experiência.
Material utilizado – Carro, sensor de força, foto-roldana (roldana que se prende à calha e pequeno
suporte vertical onde se prende uma célula fotoeléctrica que detecta o movimento da roldana),
suporte para massas verticais, massas conhecidas.
1. Ligue o terminal da foto-roldana ao canal digital 1 da interface e a ficha DIN do sensor de força
à entrada analógica A.
2. Na barra principal da janela do programa Science Workshop, seleccione a opção “File” e, em
seguida, “New”. Escolha depois a opção “Don’t save”. Reiniciou o programa, que fica deste
modo pronto para uma nova experiência.
3. Repita o procedimento dos números 5, 6 e 7 da 1ª parte deste trabalho, escolhendo agora os
novos dispositivos ligados à interface. Quando abrir a janela correspondente à figura 3 deve
seleccionar os dispositivos “Smart Pulley (Linear)” (foto-roldana). No final, deve ter a janela
da experiência indicada na figura 21.
4. Pode seleccionar o ícone da foto-roldana e verificar que o comprimento do arco seleccionado
(spoke arc length) é de 15 mm (figura 22).
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Figura 21
5. Preencha as seguintes Sampling options:
Periodic Samples = Fast at 50 Hz, Digital Timing
= 10000 Hz.
6. Meça, e registe numa tabela de resultados, a
massa do sensor de força e do carro. Monte o
sensor de força sobre o carro.
Figura 22
7. Verifique o bom nivelamento da calha.
8. Coloque um “stop-movimento” perto do extremo da calha onde vai montar a foto-roldana (para a
proteger do carro em movimento). Monte a foto-roldana nesse extremo da calha de modo a que o
topo da roldana fique à altura do gancho do sensor de força (fig. 23).
9. Prenda uma corda ao gancho
do sensor. A corda deve ter
mais cerca de 10 cm do que a
distância que vai do cimo da
foto-roldana até o chão.
10. Prenda
um suporte
para
massas do outro lado da
corda. Coloque a corda que
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Figura 23
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liga o carro e o suporte de massas sobre a foto-roldana. Ajuste a foto-roldana de modo a que a
parte da corda ligada ao carro, antes de passar pela foto-roldana, fique paralela à calha.
11. Coloque uma massa de valor conhecido no fim da corda. Ajuste a posição do
“stop-movimento” de modo a que a massa fique logo acima do chão quando o carro pára nessa
barreira.
NOTA - Não é necessário calibrar a foto-roldana.
12. Calibre o sensor de força do modo indicado na 2ª parte deste trabalho, mas agora mantendo-o
na posição em que vai ser utilizado nesta experiência, apenas tirando e repondo o fio com o
suporte de massas e a massa marcada.
ATENÇÃO – Não esquecer que o sensor de força deve ser calibrado com uma massa de valor
superior à que será usada posteriormente, no decorrer da experiência.
13. Prepare um gráfico da força (N) em função da distância e uma tabela com os valores da
velocidade (ms-1), como representado na figura 24.
14. Quando estiver preparado para começar a adquirir dados, afaste o carro da foto-roldana até que
o suporte da massa quase toque a roldana.
Figura 24
15. Rode a foto-roldana para uma posição em que o feixe fotoeléctrico fique “desbloqueado” (a luz
do LED da célula fotoeléctrica apaga-se).
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16. Inicie o registo de dados.
17. Liberte o carro para que ele possa ser puxado pela massa suspensa. O registo automático dos
dados tem início logo que a foto-roldana é bloqueada pela primeira vez.
18. Pare o registo de dados antes do suporte com a massa chegar à altura mínima. Run #1 aparecerá
na lista de dados da janela.
19. Carregue na tabela para a activar. Seleccione a opção Estatística no menu da tabela. Na parte
inferior da tabela aparecerá Min (mínimo), Max (máximo), Mean (média) e Std. Dev (desvio
padrão).
20. Registe o valor Max (ou vf) da velocidade final do Run #1 na tabela de dados e calcule a
variação da energia cinética do sistema carro + sensor de força.
21. Seleccione a janela do gráfico para a tornar activa. Seleccione o botão Estatística do menu do
gráfico. Seleccione o botão Escala Automática, Menu de Estatística e, finalmente, seleccione
Integração.
22. Registe o valor da integração da área correspondente à variação da força em função da posição.
A que grandeza corresponde essa área? Como conhece, por “via directa”, a força aplicada ao
carro (se desprezar a existência de atrito), determine o valor que “esperava” medir para essa
mesma área e compare e comente os dois resultados encontrados.
23. Compare os resultados obtidos (experimentais e por “via directa”) com os do ponto 20 e
comente-os.
24. Se for possível, imprima o gráfico da experiência.
Relatório
Elabore um relatório desta parte do trabalho efectuado, no qual deve incluir:
• uma breve introdução teórica (não mais de 10 linhas);
• um resumo do procedimento experimental (não mais de 10 linhas);
• os resultados experimentais obtidos (organizados em tabelas e gráficos sempre que
possível);
• o tratamento matemático adequado desses resultados e a discussão/comentário dos mesmos.
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