Prática lab de Física II

Laboratório de Física I
Prof. Dr. Willyan Machado Giufrida
PRATICA 2: Corpos em queda livre
PRATICA EXPERIMENTAL
Introdução:
Ao deixar um corpo cair próximo da terra, este corpo será
atraído verticalmente
mente para baixo. Desprezando-se
Desprezando se a resistência do ar,
todos os corpos, independentemente da sua massa, possuem a mesma
aceleração de queda, que é chamada de aceleração da gravidade e é
representada por . Ao desprezamos a resistência do ar, para um corpo
que
e cai de uma determinada altura, afirmamos que a única força que atua
sobre ele é a força peso ( ), responsável pela aceleração da gravidade.
Assim, se o
for a única força que atua sobre um corpo, diz-se
diz
que ele
está em queda livre. No entanto, para que não
não haja força contrária à
força peso é necessário criar um sistema em que a resistência do ar
seja considerada nula. Como não será possível criar uma câmara de
vácuo, neste experimento, adotaremos um corpo de teste de forma
apropriada (esférica), densidade considerável e percorrendo distâncias
curtas durante a queda. Desta forma, teremos um sistema de queda livre
onde a resistência do ar pode ser desprezada. Para regiões próximas à
superfície da terra, g = 9,81 m/s2.
Ao estudar o movimento uniformemente acelerado, avaliamos os
corpos que se movem com uma aceleração constante. Assim, se um corpo
tem uma aceleração constante, a,
, sua aceleração média, em qualquer
intervalo de tempo será a mesma. Portanto:
Portanto
Se a velocidade inicial, vo, for dada no instante t0 = 0, e a
velocidade final, v,
, no instante t,
, a partir da equação acima, tem-se:
tem
Sabe-se
se que o deslocamento
desloca
escalar ∆
no tempo t0 = 0 é:
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Substituindo a equação (3) em (2), obtém-se:
obtém
Substituindo a equação (1) na equação (4), e desenvolvendo, tem-se:
tem
A equação (5) é aplicada também para corpos
corpos em queda livre, pois
próximos à superfície da terra a aceleração da gravidade é constante.
O tempo pode ser eliminado das equações acima. Para isto basta
isolar t na equação (1) e substituir a equação obtida e a equação (3) na
equação (2). De forma a obter
ter:
A equação (6) é útil para calcular a velocidade de queda de um
corpo, com aceleração constante, onde o tempo não é uma grandeza de
interesse.
Escolhendo um referencial rigidamente ligado
gado a terra, a direção do
eixo Oy será vertical e seu sentido positivo para cima. Então a aceleração
da gravidade
será um vetor apontando verticalmente para baixo
baix (para o
centro da terra),
, no sentido negativo Oy.
A equação da queda livre é expressa por:
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Isolando-se g, tem-se:
se:
Considerações iniciais:
Queda livre é a queda de um corpo no vácuo sob a ação única e
exclusiva da gravidade. Este fato torna a experiência um pouco difícil de
realizar em sala de aula, pois depende de uma câmara de vácuo. Se, no
entanto usarmos um corpo de forma apropriada, densidade razoavelmente
elevada e percorrendo pequenas distâncias verticais, a resistência do ar
se torna muito pequena, podendo ser desprezada. Desta forma iremos fazer o
experimento aceitando a queda de uma esfera de aço, de uma pequena altura
e dentro da sala de aula, como um movimento de queda livre.
Objetivos:
•
Estudo do movimento de corpos em queda livre de diferentes massas e
em diferentes
tes espaços/distâncias de queda.
queda
•
Obter o valor experimental da aceleração da gravidade local por meio
de corpos em queda.
Material utilizado:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
01 tripé de ferro;
Haste de alumínio com régua milimetrada;
Eletroímã;
03 esferas de aço de tamanhos variados;
01 chave liga-desliga;
desliga;
Cronômetro digital com display de LED;
01 sensor infravermelho;
01 saquinho para contenção das esferas;
Cabos de conexão.
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Procedimento experimental:
Montagem do experimento;
•
•
•
•
Fixar o eletroímã na haste
haste de alumínio com escala milimetrada e
presilha.
Ligar o eletroímã à fonte de tensão variável deixando em série a
chave liga-desliga.
Colocar a esfera de Ø20mm em contato com o eletroímã e regular a
tensão elétrica para que a esfera fique na iminência
iminência de cair.
Ajustar o sensor a 20cm abaixo da esfera (prestar atenção no
diâmetro da esfera e na posição em que a esfera em queda livre
interrompe a contagem do tempo, ou seja, o cronômetro interrompe a
contagem quando a esfera passar pelo centro do sensor).
se
Medir com uma régua o primeiro deslocamento 20cm.
Y = 0,200m
•
•
•
•
Ajustar as sapatas no tripé para que a haste de queda livre fique
vertical.
No cronômetro Multifunções escolher a função F2 e zerar (reset). No
Cronômetro Simples zerar (reset).
Desligar
esligar o eletroímã através da chave liga/desliga liberando a
esfera e anotar na tabela o intervalo de tempo indicado pelo
cronômetro.
Repetir os procedimentos acima para os deslocamentos de 30 cm, 40cm,
50 cm e 60cm.
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1. Calcular a aceleração da gravidade e preencher a tabela.
Nº
Y0(m)
Y(m)
∆
∆Y(m)
t1(s)
t2(s)
t3(s)
tm(s)
g(m/s2)
1
2
3
4
5
2. Calcular a velocidade a partir do tm, para cada ∆Y conforme dados da
tabela e preencha a coluna Vm(m/s).
Nº
t(s)
g(m/s2)
V0(m)
V(m/s)
(m/s)
1
2
3
4
5
3. Considerando a tolerância de erro admitida (5%), pode se afirmar que
a aceleração da gravidade permaneceu constante?
____________________________________________________________________
4. Construir o gráfico Y=f(t) (∆Y(m)
experimento. Qual a sua forma?
∆Y(m)
x
t(s)
t(s))
usando
os
dados
do
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5. Linearizar o gráfico Y=f(t). Para linearizar, formar a tabela ∆Y(m)
versus t2(s2).
∆Y(m)
t2(s2)
6. O gráfico mostra que as grandezas deslocamento e intervalo de tempo
ao quadrado são:
7. Determinar os coeficientes angular e linear do gráfico Y=f(t2).
Coeficiente angular A = __________
Coeficiente linear B = __________
8. Comparar o coeficiente linear do gráfico Y=f2(t2) com o valor da
posição inicial. Qual é o significado físico do coeficiente linear?
9. Comparar o coeficiente angular do gráfico Y=f2(t2) com o valor da
aceleração média da tabela. Qual é o significado físico do
coeficiente angular?
10. Obter a equação horária do movimento em queda livre.
11. Construir o gráfico de V=f(t) (V(m/s) x t(s)).
. Qual é a sua forma?
V(m/s)
t(s)
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12. Determinar
r os coeficientes angular e linear do gráfico de V=f(t):
V=f(t)
V(m/s) x t(s).
Coeficiente angular A = __________
Coeficiente linear B = __________
13. Comparar o valor do coeficiente angular com o valor da aceleração
média na tabela.
14. Qual é o significado físico do coeficiente angular
angular no gráfico
V=f(t): V(m/s) x t(s)?
t(s)
15. Qual é o significado
V=f(t): V(m/s) x t(s)?
t(s)
físico
do
coeficiente
linear
no
gráfico
16. Obter a equação da velocidade do movimento em queda livre.
17. Qual é o significado físico da área sob o gráfico V=f(t)?
18. Repetir os Procedimentos com as esferas Ø___mm, Ø___
___mm e Ø___mm
coletando os dados, e observar se ouve alterações com relação aos
procedimentos com a esfera de Ø20mm.