Leis de Newton - DFI

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Laboratórios de Física
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Leis de Newton
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Laboratórios de Física
Leis de Newton
DEFI-NRM-0021
Versão: 05
Data: 05/08/2008
DEFI-NRM-0021
Leis de Newton
Objectivos:
•
Provar experimentalmente a 2ª Lei de Newton.
Introdução teórica
A 1a Lei de Newton
Até ao início do século XVII, pensava-se que para manter um corpo em movimento era
necessário que actuasse uma força sobre ele. Essa ideia foi revista por Galileu, que afirmou:
"Na ausência de uma força, um objecto continua a mover-se com movimento rectilíneo e com
velocidade constante". Galileu chamou inércia à tendência que os corpos apresentam para
resistirem à mudança do movimento em que se encontram. Alguns anos mais tarde, Newton
com base nas ideias de Galileu, estabelece a primeira lei do movimento, também conhecida
como Lei da Inércia:
“Qualquer corpo permanece no estado de repouso ou de movimento
rectilíneo uniforme se a resultante das forças que actuam sobre esse corpo
for nula.”
A primeira lei de Newton explica o que acontece ao corpo quando a resultante de todas as
forças externas que nele actuam é zero: o corpo pode permanecer em repouso ou continuar o
seu movimento rectilíneo com velocidade constante.
A 2a Lei de Newton
A segunda lei de Newton explica o que acontece ao corpo quando a resultante das
forças é diferente de zero. Ou seja, a aceleração de um corpo é directamente
proporcional à força resultante que sobre ele actua. A 2a Lei de Newton pode enunciar-se
do seguinte modo:
“A aceleração adquirida por um corpo é directamente proporcional à
intensidade da resultante das forças que actuam sobre o corpo, tem direcção
e sentido dessa força resultante e é inversamente proporcional à sua massa.”
A segunda Lei de Newton, também conhecida por Lei Fundamental da Dinâmica, pode ser
expressa matematicamente por:
F = m⋅a .
Como a massa é expressa em kg e a aceleração em m/s2, a unidade SI de força será
kg.m/s2, e designa-se por newton (N).
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A 3a Lei de Newton
Quando um sistema interactua com outro sistema, exercem-se sempre forças simultâneas
que têm: a mesma linha de acção; a mesma intensidade; sentidos opostos. No entanto, como
estas forças estão aplicadas em corpos diferentes, nunca se anulam.
F12 = − F21
Sempre que se verifique uma interacção entre dois corpos, verifica-se também a existência
de um par de forças que actuam sobre os mesmos. Pode afirmar-se então que as duas forças
que interactuam constituem um par acção-reacção. É indiferente considerar qualquer uma
delas como acção ou reacção. A 3a Lei de Newton pode enunciar-se do seguinte modo:
“Quando dois corpos interagem, a força que o corpo 1 exerce sobre o
corpo 2 é igual e oposta à força que o corpo 2 exerce sobre o corpo 1.”
Material Necessário
•
•
•
•
•
•
Calha de ar com roldana;
Tubo de vento;
Carrinho e acessórios;
Conjunto de Photogate Timer e 2 photogates;
Conjunto de massas e respectivo suporte;
Balança.
Nomenclatura
Conjunto de massas
Suporte de massas
Photogate timer
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Carrinho e acessórios
Photogate
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Procedimento Experimental
Neste trabalho, vamos basear o nosso estudo na segunda Lei de Newton, ou Lei
Fundamental da Dinâmica, tendo em conta os conceitos de massa, posição, tempo,
velocidade, aceleração e força.
1. Execute a montagem como ilustram as duas figuras seguintes. Ligue o tubo de vento.
Verifique o nível da calha de ar, de maneira que, ao colocar o carrinho ele não deslize em
qualquer dos sentidos.
2. Meça o comprimento da placa colocada sobre o carrinho, e registe esse valor na Tabela 2,
(L) (verifique que esta placa é o único elemento móvel que, quando o carrinho desliza,
fecha o circuito óptico da photogate).
3. Nos suportes laterais do carrinho, adicione massas no valor de 60 gramas. Para tal, utilize
massas de 10 e 20 gramas. Verifique que estas massas ficam uniformemente distribuídas
no carrinho, de maneira a que ele fique equilibrado. Pese o carrinho com as massas e
registe este valor na Tabela 2 como sendo m.
4. Coloque uma massa de 10 gramas no suporte de massas e pese o conjunto (suporte mais
massa) e registe o seu valor como sendo ma.
5. Ligue, através de um fio, o carrinho ao suporte de massas, de forma que o fio passe pela
roldana na extremidade da calha.
6. Ligue o Photogate Timer, verifique se as Photogates estão ligadas ao aparelho. Depois
seleccione o modo GATE (para reinicializar o procedimento de leitura do Photogate Timer,
pressione a tecla de RESET).
7. Escolha, ao longo da calha de ar, um ponto de partida que será identificado como x0.
Assinale este ponto para que possa colocar o carrinho sempre no mesmo ponto de partida.
8. Segure o carrinho na posição x0, depois largue-o.
9. Após o carrinho ter passado pelas duas Photogates (apenas deve passar uma vez por cada
Photogate), o tempo que aparece no visor do Photogate Timer é o tempo t1, que é o tempo
que o carrinho demorou a passar na primeira Photogate.
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10. Depois, mudando o cursor Memory, do Photogate Timer, para a posição READ, aponte t’2
como o tempo que demorou a passar nas duas Photogates.
Para calcular t2 (o tempo que demora a passar na 2ª Photogate), tem de efectuar o cálculo:
t2 = t’2 - t1
Repita este procedimento 5 vezes (coloque o valor de t1 e de t2 na Tabela 2). De todas as
vezes, faça RESET ao Photogate Timer.
11. Calcule a média das várias medições de t1 e t2 e coloque o valor na Tabela 2.
12. Coloque o Photogate Timer no modo de PULSE.
13. Pressione a tecla de RESET.
14. De novo, coloque o carrinho em x0 e largue-o. Agora, meça o valor de t3 (indique na Tabela
2) como sendo o tempo que este demora a passar entre as duas Photogates. Faça 5
medições semelhantes, calcule a média e coloque na Tabela 2.
15. Varie ma, movendo massas entre o carrinho e o suporte de massas (assim o valor total de
massa m+ma permanece constante). Registe m e ma e repita as operações do passo 6 até
ao 14.
16. Preencha a Tabela 2, repetindo todo o procedimento para quatro valores diferentes de
massa para ma.
Outras informações
1. Com o comprimento da placa colocada sobre o carrinho, L, e as médias dos tempos t1 e
t2 determine as velocidades v1 e v2 (as velocidades de passagem do carrinho em cada
uma das Photogates).
v1 =
∆s L
= (1)
∆t t1
v2 =
∆s L
(2)
=
∆t t 2
2. A aceleração média do carrinho entre as duas Photogates é determinada por:
a=
∆v (v2 − v1 )
(3)
=
∆t
t3
3. Fa, a força aplicada ao carrinho pela massa colocada no suporte, é dada por:
Fa = ma .a
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Referências Bibliográficas
•
“Física para Cientistas e Engenheiros”, Volume1, 5ª Edição; Paul Tipler e Gene Mosca; LTC –
Livros Técnicos e Científicos Editora, 2006
•
“Física I - Mecânica e Gravitação”, 3.ª Edição; Raymond A. Serway; LTC – Livros Técnicos e
Científicos Editora, 1996
•
“Newton’s Second Law”, Experiment 4; Pasco Scientific, 2001
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Leis de Newton – Anexo A
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Anexo A
Curso:
Ano:
Disciplina:
Turma:
Data da realização:
Grupo #:
Data de entrega:
Tabelas
Tabela 1: Registo dos Aparelhos de Medição
Aparelhos
Unidades
Nº Mec.:
Nome:
Nº Mec.:
Nome:
Nº Mec.:
Nome:
Resolução
Erro de Leitura
-i-
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Leis de Newton – Anexo A
Tabela 2: Registo das Medições
Comprimento da placa do carrinho: L=_________(
m(
)
ma ( )
t1 (
)
t’2 ( )
t2 (
)
t3 (
)
)
v1 (
)
v2 (
)
a(
)
Fa (
)
Conclusão:
Nº Mec.:
Nome:
Nº Mec.:
Nome:
Nº Mec.:
Nome:
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Leis de Newton – Anexo B
Leis de Newton
Anexo B
Questões sobre os conceitos de:
•
Provar experimentalmente a 2ª Lei de Newton.
Questões
1. Desenhe um gráfico com a aceleração média, a, em função da força aplicada Fa.
2. Examine o gráfico cuidadosamente. É uma linha sem sentido? Use o gráfico para
determinar a relação entre a força aplicada, a massa e a aceleração média do
carrinho em cima da calha.
3. Fazendo uma análise ao sistema de forças aplicadas a cada bloco, indique como se
chega à expressão da tensão através do bloco de massa no suporte.
4. Exerce-se uma força sobre um objecto que apresenta uma aceleração como
resposta. Qual das seguintes indicações é sempre verdadeira?
(a) O objecto movimenta-se no sentido da força.
(b) A aceleração tem o mesmo sentido que a velocidade.
(c) A aceleração tem o mesmo sentido que a força.
(d) A velocidade do objecto aumenta.
Nº Mec.:
Nome:
Nº Mec.:
Nome:
Nº Mec.:
Nome:
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