Trilho de Ar

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Trilho de Ar
Objetivos:
●
Determinar a aceleração de um corpo sobre a ação de uma força constante;
Material:
✔
Cronômetro digital EQ228A;
✔
Trilho de Ar com Unidade Geradora de Fluxo de Ar;
✔
Carro;
✔
Conjunto de 2 discos pequenos, 4 discos grandes e 1 suporte.
Cuidados com o equipamento
Antes de iniciar o manuseio do equipamento, observe alguns cuidados importantes para evitar
danificar o equipamento:
•
não deslize o carro sobre o trilho enquanto o fluxo de ar estiver desligado;
•
leia atentamente o roteiro do experimento.
Apresentação
Neste experimento será estudado o movimento de um corpo sobre uma superfície sem atrito e
sob a ação de forças constantes. Para isto serão empregados conhecimentos das Leis do
Movimento de Newton, Conservação de Energia e Movimento a Aceleração Constante.
O experimento será dividido em três etapas apresentadas resumidamente abaixo:
•
Nivelamento - Movimento a velocidade constante:
No primeiro ensaio o carro será lançado a uma velocidade constante sobre o trilho, para
avaliar o nivelamento e o atrito no trilho.
•
Força Constante:
Neste segundo ensaio, uma massa será usada para gerar uma força constante
impulsionando o carro.
•
Plano Inclinado:
Neste terceiro ensaio, uma pequena inclinação será feita à rampa para criar uma força
constante sobre este.
1 - Nivelamento – Movimento a velocidade constante
O objetivo desde primeiro ensaio é ajustar o melhor nivelamento possível para a rampa. Para
isto será feito alguns lançamentos do carro com o trilho na horizontal, onde se deseja que a
aceleração do carro seja o mais próximo possível de zero.
Para isto realize os procedimentos de nivelamento a seguir:
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Figura 1: Trilho de Ar
Pré-nivelamento
Inicialmente será feito um pré-nivelamento, com um nível de bolha (Figura 1-8) e cavalete
(Figura 1-7). Para isto execute os procedimentos na ordem apresentada:
Figura 2: Transferidor do trilho
1. coloque a rampa na horizontal, ajustando a sua inclinação com os fusos (Figura 1-5) para
que o ângulo registrado no transferidor (Figura 1-9) seja nulo, Figura 2;
2. em seguida, coloque o nível sobre a base da rampa e nivele as sapatas de borracha da
mesma (Figura 1-6), até que a bolha de ar fique centralizada, Figura 3;
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Figura 3: Nivelando a base do trilho
3. para terminar, utilize o cavalete (Figura 1-7) para posicionar o nível sobre o trilho e
ajuste os parafusos de nivelamento (Figura 1-5) para ajustar o nível da rampa, Figura 4.
Figura 4: Nivelando o trilho
Observe que, eventualmente, a inclinação registrada no transferidor poderá subir um pouco
acima do 0°.
Nivelamento à velocidade constante
Para refinar o nivelamento, posicione os sensores à distâncias iguais para realizar alguns
lançamentos1. Ao posicionar os sensores observe que apenas 800mm da rampa está disponível
para o experimento, uma vez que o comprimento do carro ocupa quase 200mm do trilho. Os
procedimentos a seguir apresentam os preparos necessários para os lançamentos. Execute-os
com atenção.
Dica: Este experimento é muito sensível à medida da separação entre os sensores e por isto
esta medida será crucial na qualidade dos resultados encontrados. Utilizando uma escala de
aço, meça a distância entre os orifícios (na parte interna dos sensores) para determinar sua
separação.
Preparando o Cronômetro
O cronômetro EQ228A possui várias formas de operação, intituladas funções. Para este
1
Provavelmente os sensores já estão devidamente posicionados, apenas verifique e faça as devidas correções.
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experimento será utilizado apenas a Função 1 (F1), a qual permite registrar o tempo decorrido
da passagem do carro entre os diferentes sensores. Os procedimentos a seguir preparam o
cronômetro para o registro destes tempos nos lançamentos:
Figura 5: Cronômetro EQ228A
✔
Ligue o cronômetro EQ228A na chave localizada na parte de trás do equipamento;
✔
em seguida selecione o idioma de operação: botão 1 para português;
✔
depois escolha o botão 1 para selecionar uma função de operação;
✔
para este experimento será utilizado a Função 1, “F1 2 ou 5 sensores”. Pressione o botão
2 para prosseguir, botão OK;
✔
o próximo menu permite selecionar 2 ou 5 sensores para o número de sensores, “No. de
sensores?”, tecle 3, para selecionar 5 sensores;
✔
não é necessário inserir as distâncias entre os sensores, pressione o botão 1 para
prosseguir, “não”.
O cronômetro será disparado assim que a haste do carro passar pelo primeiro sensor. Caso
inicie acidentalmente o cronômetro pressione o botão 3, “cancelar”, para reiniciar (ou “repetir”,
botão 2, para reiniciar o cronômetro caso o lançamento já tenha terminado).
É aconselhável fazer um teste inicial de disparo dos sensores, para verificar seu funcionamento
e conferir a tomada de dados.
Teste do Cronômetro
✔
Com o cronômetro preparado (Figura 6-a), passe um dedo à frente do orifício do primeiro
sensor e observe que isto deve disparar o cronômetro (Figura 6-b);
✔
continue o movimento passando o dedo à frente dos orifícios dos demais sensores, na
ordem 2°, 3°, 4° e 5°. Isto acionará os sensores e terminará o teste com o display do
cronômetro na forma apresentada na Figura 6-c, ao passar a mão pelo último sensor;
Se tudo correr bem, os tempos ficarão registrados no cronômetro. Para verificá-los execute os
procedimentos a seguir:
✔
pressione o botão 1 (Ver), para iniciar o modo apresentação (Figura 6-c);
✔
pressione o botão 1 (t), novamente, para visualizar os tempos (Figura 6-d);
✔
pressione o botão 1 (<) ou 3 (>) para visualizar o intervalo anterior ou posterior, medido
(Figura 6-e).
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Os intervalos são apresentados na forma:

t0,1 intervalo entre o acionamento dos sensores 0 e 1;

t0,2 intervalo entre o acionamento dos sensores 0 e 2;

t0,3 intervalo entre o acionamento dos sensores 0 e 3;

t0,4 intervalo entre o acionamento dos sensores 0 e 4;

t1,2 intervalo entre o acionamento dos sensores 1 e 2;

t2,3 intervalo entre o acionamento dos sensores 2 e 3;

t3,4 intervalo entre o acionamento dos sensores 3 e 4;
Estes tempos são apresentados ciclicamente, se continuar a pressionar o botão de avançar (>).
Ao terminar pressione o botão 2 (Ok) e o botão 3 (sair), Figura 6-d. Isto deve retornar a uma tela
como a apresentada na figura Figura 6-c. Pressione o botão 2 (repetir) para deixar o cronômetro
preparado para os lançamentos (Figura 6-a).
Figura 6: Teste do Cronômetro
Executando os Lançamentos
Posicione o carro com a haste de disparo dos sensores, voltada para o primeiro sensor. Em
seguida ligue a Unidade de Geradora de Fluxo de Ar, Figura 7-2.
Atenção: Caso não seja produzido um fluxo de ar no trilho, gire o Controle do fluxo (Figura 7-1)
para a posição 3 ou 4. Uma vez iniciado o fluxo de ar, reduza-o de forma a garantir que o carro
deslize suavemente sobre o trilho.
Em seguida execute o lançamento do carro com as mãos, a uma velocidade baixa, de forma
que o tempo de passagem do carro entre os sensores fique na faixa de 0,7s a 1,2s.
Figura 7: Gerador de Fluxo de Ar
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Observe os tempos de passagem do carro entre os sensores e verifique se o carro está
acelerando ou desacelerando ao longo de seu movimento. Ajuste a inclinação com os parafusos
de nivelamento, de forma que a aceleração residual seja da ordem de 1mm/s², ou que os
intervalos de tempo, da passagem do carro entre dois sensores consecutivos, não tenham um
comportamento ordenado (somente cresçam ou somente decresçam), variem de forma
aleatória. Quando alcançado valores satisfatórios, registre os dados do lançamento na tabela
abaixo.
Sensores
S (0,1)
S (1,2)
S (2,3)
S (3,4)
Δx (mm)
______________
______________
______________
______________
Δt (s)
______________
______________
______________
______________
Faça a leitura no transferidor e anote qualquer ângulo residual para referências futuras.
ângulo residual no transferidor: (___________ ± ___________)°
Experimento 1 - Força Constante
Neste primeiro experimento será usado um suporte com um ou dois discos pequenos, massa m,
conectados ao carro, massa M, através de uma roldana, como ilustra a Figura 8. Antes de iniciar
os lançamentos, messa as massas dos corpos na tabela abaixo:
Grandezas
Valor
Massa do Suporte + discos (g)
______________ ± ______________
Massa do Carro (g)
______________ ± ______________
Massa da Roldana (g)
80,5 ± 0,1
Diâmetro da Roldana (cm)
______________ ± ______________
M
µ
m
Figura 8: Experimento 1 - Lançamento a força constante
Em seguida prepare o cronômetro como descrito na seção Preparando o Cronômetro, página 3.
Para fazer o lançamento proceda como segue:
✔
segure o carro com as mão e ligue o fluxo de ar;
✔
não solte o carro imediatamente, aguarde por 3s;
✔
se o cronômetro estiver preparado, libere o carro para registrar o movimento;
✔
anote os tempos entre os sensores na tabela abaixo:
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Sensores
S (0,1)
S (1,2)
S (2,3)
S (3,4)
Δx (mm)
______________
______________
______________
______________
Δt (s)
______________
______________
______________
______________
Para o segundo lançamento, adicione discos grandes ao carro. Estes discos devem ser
adicionados aos pares (um em cada lateral do carro) para manter o seu equilíbrio. Antes de
efetuar o lançamento, verifique se o atrito com a rampa permanece.
Em seguida repita o lançamento e anote os resultados na tabela a seguir:
Sensores
S (0,1)
S (1,2)
S (2,3)
S (3,4)
Δx (mm)
______________
______________
______________
______________
Δt (s)
______________
______________
______________
______________
Experimento 2: Movimento em Plano Inclinado
Para este segundo experimento o trilho deverá ser levemente inclinado, algo entre 3° a 10°, no
máximo. A inclinação do trilho é feita calçando os parafusos de inclinação, Figura 1-5, com
discos metálicos, ou um bloco de madeira.
Efetue uma pequena inclinação de 3° a 5° no trilho e anote a sua inclinação:
ângulo de inclinação 1: (___________ ± ___________)°
Em seguida repita o lançamento do carro, desta vez sem os discos grandes, e anote os
resultados na tabela a seguir:
Sensores
S (0,1)
S (1,2)
S (2,3)
S (3,4)
Δx (mm)
______________
______________
______________
______________
Δt (s)
______________
______________
______________
______________
Atenção: Para uma inclinação de 10°, ou superior, incline o trilho manualmente e calce o trilho
com um bloco de madeira, colocado próximo ao seu centro.
Posicione o trilho num ângulo próximo a 10° e anote o seu valor:
ângulo de inclinação 2: (___________ ± ___________)°
Repita o lançamento e anote os dados do movimento:
Sensores
S (0,1)
S (1,2)
S (2,3)
S (3,4)
Δx (mm)
______________
______________
______________
______________
Δt (s)
______________
______________
______________
______________
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Formulário:
1
1
Δ x =v 0 t+ a t 2 , Δ x =v t− a t 2 e
2
2
v 2=v 20+2 a Δ x
Equações de movimento a aceleração constante
∑ F=m a
2ª Lei de Newton
Ei=E f
Conservação de Energia Mecânica
1
K T = m v2
2
Energia Cinética de Translação
1
K R = I ω2
2
Energia Cinética de Rotação
U G =m g Δ y
Energia Potencial Gravitacional
Composições:
a=
Δ x 2 Δ x1
2
−
(t 1 +t 2 ) t 2
t1
(
)
Equações do Movimento a Aceleração Constante
a=
m
g
M +m+u/2
a=g sin(θ)
2
Conservação de Energia e MRUA ou 2ª Lei de Newton e Torque2
2ª Lei de Newton
Dica: o deslocamento horizontal na rampa será igual ao deslocamento vertical do suporte ( Δ x=h )
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